DE102011113620A1

DE102011113620A1 - Verfahren zur Erkennung einer Kippgrenze eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011113620A1
Application number: DE201110113620
Authority: DE
Inventors: Imre Boros
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-04-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Kippgrenze eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, bei dem – eine Querbeschleunigung ay des Kraftfahrzeugs gemessen wird, – ein Antriebsmoment M an mindestens einem angetriebenen Fahrzeugrad ermittelt wird, – ein Schlupf κ, das heißt eine Drehzahldifferenz zwischen angetriebenen und nicht angetriebenen Fahrzeugrädern ermittelt wird, wobei der Schlupf κ sowohl von dem Antriebsmoment M als auch von einer Radlast Fz abhängig ist, – diejenige kritische Querbeschleunigung ay,Krit berechnet wird, bei welcher die Radlast Fz an wenigstens einem kurveninneren Fahrzeugrad gleich Null ist und damit die Kippgrenze zumindest annähernd erreicht ist. Hierdurch kann ein Umkippen des Kraftfahrzeugs zuverlässig verhindert werden, ohne den Fahrkomfort störende Bremseingriffe bei noch nicht kritischen Querbeschleunigungen befürchten zu müssen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Kippgrenze eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Erkennung der Kippgrenze eines derartigen Kraftfahrzeugs.
Moderne Systeme zur fahrdynamischen Stabilisierung von Kraftfahrzeugen beinhalten insbesondere bei Nutzfahrzeugen einen möglichen Eingriff in die Bremse, wenn sich eine aktuelle Querbeschleunigung an einen kritischen Wert annähert, bei welchem ein Kippen des Kraftfahrzeugs befürchtet werden muss. Die jeweilige Kippgrenze und damit auch die jeweilige kritische Querbeschleunigung ist dabei einerseits von der Masse des Kraftfahrzeugs und andererseits von dessen Schwerpunktshöhe abhängig. Bei einem beladenen Nutzfahrzeug macht die Beladung selbst ca. 60% der Masse des Nutzfahrzeuges aus, wobei die Schwerpunktlage insbesondere in vertikaler Richtung in weiten Grenzen variieren kann. Bei heutigen Systemen zur fahrdynamischen Stabilisierung von Kraftfahrzeugen wird eine massenabhängige Schwerpunkthöhe angenommen und dementsprechend wird auch eine hierfür gültige, kritische Querbeschleunigung festgelegt. Um dabei auf der sicheren Seite zu liegen, liegt diese Annahme jedoch unterhalb der Grenze, bei der ein sicheres Fahren ohne Kippgefahr noch möglich ist. Die Folge hiervon ist, dass das System zur fahrdynamischen Stabilisierung zu früh in das Bremssystem eingreift und einem Fahrer das Gefühl der Behinderung vermittelt. Andererseits wiederum besteht bei einer besonders hohen Schwerpunktlage die Gefahr, dass das System zur fahrdynamischen Stabilisierung des Kraftfahrzeugs zu spät eingreifen könnte und damit ein unbeabsichtigtes Umkippen nicht mehr zu verhindern ist.
Aus der DE 10 2008 042 433 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Schwerpunkts eines Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei werden für mindestens ein Fahrzeugrad des Kraftfahrzeuges zwei unterschiedliche, eine Antriebskraft repräsentierende Antriebskraftwerte ermittelt, ebenso wie dazu gehörige Längsbeschleunigungswerte und Radschlupfwerte. Abhängig von den ermittelten Antriebskraftwerten, den zugehörigen Längsbeschleunigungswerten und den zugehörigen Radschlupfwerten werden dann die Koordinaten des Schwerpunkts des Kraftfahrzeugs ermittelt. Die genaue Kenntnis der Lage des Schwerpunkts ermöglicht es, Fahrsicherheitssysteme und/oder Fahrregelsystems an unterschiedliche Beladungsverhältnisse anzupassen, wodurch auch die Fahrsicherheit erhöht werden soll.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Verfahren zur Erkennung einer Kippgrenze eines Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, anzugeben, welches einerseits ein Umkippen des Kraftfahrzeugs zuverlässig verhindert, andererseits jedoch erst so spät in ein Bremssystem des Kraftfahrzeugs eingreift, das sich ein Fahrer des Kraftfahrzeugs hierdurch nicht behindert fühlt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken eine jeweils aktuelle Kippgrenze, die abhängig ist von einer jeweils aktuellen kritischen Querbeschleunigung a_y,Krit wahrend der gesamten Fahrt fortlaufend zu ermitteln. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erkennung der Kippgrenze des Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, werden fortlaufend eine Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs gemessen, sowie ein Antriebsmoment M an mindestens einem angetriebenen Fahrzeugrad ermittelt. Zusätzlich wird ein Schlupf κ ermittelt, das heißt eine Drehzahldifferenz zwischen angetriebenen und nicht angetriebenen Fahrzeugrädern auf beiden Fahrzeugseiten, wobei der Schlupf κ sowohl vom Antriebsmoment als auch von einer Radlast F_z abhängig ist. Aus diesen fortlaufend ermittelten Werten wird nun diejenige kritische Querbeschleunigung a_y,Krit berechnet, bei welcher die Radlast F_z an wenigstens einem kurveninneren Fahrzeugrad gleich Null ist und damit die Kippgrenze des Kraftfahrzeugs zumindest annähernd erreicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt dabei zwei physikalisch an sich bekannte Effekte: Zunächst verlagern sich die Radlasten F_z der Achsen linear proportional zur Querbeschleunigung a_y zur kurvenäußeren Fahrzeugseite hin. Die tatsächliche Kippgrenze ist dabei zwar erst dann erreicht, wenn alle Räder auf der kurveninneren Seite von der Fahrbahn abheben, praktisch ist diese Grenze, das heißt die Kippgrenze, jedoch gut angenähert, wenn das erste kurveninnere Fahrzeugrad abhebt. Der zweite physikalische Effekt ist in der Eigenschaft des Reifens begründet, bei welchem Umfangskräfte einen Schlupf κ, also eine relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Reifenumfang und Fahrbahn hervorrufen. Dieser Schlupf κ ist sowohl von der Umfangskraft, das heißt von einem Antriebsmoment, als auch von der Radlast selbst abhängig, wobei diese Abhängigkeiten zwar generell nicht linear sind, sich aber um einen Betriebspunkt des Reifens mit guter Näherung linearisieren lassen. Eine wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Schlupfsteifigkeit, also die Ableitung der Umfangskraft nach dem Schlupf κ, zu Null wird, wenn die Radlast F_z an dem betreffenden Fahrzeugrad verschwindet und dadurch das Fahrzeugrad abhebt. Werden somit nun die Querbeschleunigung a_y, die Umfangskraft, das Antriebsmoment M und der Schlupf κ fortlaufend erfasst und in die linearisierte Ansatzfunktion eingesetzt, können die gegenseitigen Abhängigkeiten zahlenmäßig ermittelt werden und eine kritische Querbeschleunigung a_y,Krit bei welcher ein Kippen des Kraftfahrzeugs beginnt, abgesetzt werden. Hierbei sollten selbstverständlich Betriebszustände, aus der gewonnenen Datensammlung ausgeschlossen werden, die zu falschen Ergebnissen führen könnten. Durch die fortlaufende Messung von Motor- und Raddrehzahlen, der Querbeschleunigung a_y und des Motorantriebsmoments M wird die Umfangsschlupfsteifigkeit der Reifen an der Antriebsachse in Abhängigkeit der Querbeschleunigung a_y erfasst. Diese Größe ist zumindest näherungsweise linear proportional zur Radlast, wobei durch eine Extrapolation aus dem gemessenen Bereich diejenige Querbeschleunigung a_y, ermittelt wird, bei der die Schlupfsteifigkeit den Null aufweist. Diese Querbeschleunigung a_y entspricht der kritischen Querbeschleunigung bei der das kurveninnere Antriebsrad den Bodenkontakt verliert und sich dadurch ein Kippen des Kraftfahrzeugs andeutet.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung eines Wankwinkels sowohl des Kraftfahrzeugs als auch einer Fahrbahn ermittelt. Die Querbeschleunigung a_y kann dabei mit einem rahmenfesten Sensor unmittelbar gemessen werden. Bei nicht horizontal stehendem Rahmen wird so auch die Komponente der Erdbeschleunigung mitgemessen. Der Wankwinkel gegenüber der Horizontalen ergibt sich als Summe aus dem Wankwinkel des Fahrzeugs und dem Wankwinkel der Fahrbahnquerneigung. Abweichungen, wie z. B. Steilkurven erkennt man, in dem die gemessene Querbeschleunigung a_y mit einer anderen, aus Fahrgeschwindigkeit und Gierrate gerechneten verglichen wird. Liegen die ermittelten Abweichungen oberhalb eines definierten Grenzwertes, so werden diese nicht für die Berechnung der kritischen Querbeschleunigung a_y,Krit verwendet und dementsprechend aussortiert, während kleinere Abweichungen als Rauschen behandelt werden können.
Zweckmäßig wird bei der Ermittlung des Antriebsmoments M am Fahrzeugrad und damit auch bei der Ermittlung einer davon abhängigen Umfangskraft zumindest einer der folgenden Parameter berücksichtigt: Wirkungsgrad eines Triebstrangs, Sperrwirkung eines Differenzialgetriebes, dynamische Verhalten des Motormoments. Generell können das Antriebsmoment M und damit auch die Umfangskräfte aus dem Motormoment und der Übersetzung zurückgerechnet werden. Die Übersetzung ergibt sich dabei aus dem Verhältnis der Motordrehzahl und der mittleren Raddrehzahlen der Antriebsachse. Durch die Berücksichtigung der zuvor genannten Parameter kann die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert werden. In ausgekuppeltem Zustand wird das Antriebsmoment M Null, wobei Messungen bei betätigter Bremse von der Auswertung ausgeschlossen werden, da das aufgebrachte Bremsmoment üblicherweise nicht mit der erforderlichen Genauigkeit ermittelt werden kann. Dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Erkennung der Kippgrenze kommt dabei entgegen, das bei vielen Nutzfahrzeugen die Antriebsachse diejenige ist, die am stärksten stabilisiert ist und deshalb zuerst den Bodenkontakt verliert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird bei der Ermittlung des Schlupfes keine Bewegungsbahn der Fahrzeugräder berücksichtigt, wobei bei einem Unterschreiten eines vordefinierten Grenzwertes eines gefahrenen Kreisradius, der aus Fahrgeschwindigkeit und aus der Gierrate berechnet wird, der hieraus ermittelte Schlupf κ nicht für die Berechnung der kritischen Querbeschleunigung a_y,Krit verwendet wird. Dabei gilt, dass die Bewegungsbahn der Fahrzeugräder einer Seite annähernd gleich ist, solang der gefahrene Kreisradius nicht zu klein wird. Der jeweils aktuell gefahrene Kreisradius kann dabei beispielsweise aus der Fahrgeschwindigkeit und aus der Gierrate berechnet werden, wobei sich durch das Aussortieren von Schlupfwerten κ die den vordefinierten Grenzwert unterschreiten, zwei voneinander getrennte Systeme ergeben und zwar jeweils eines pro Fahrzeugseite. Damit wird auch eine eventuelle Asymmetrie einer Schwerpunktlage erfasst. Bei der Berechnung des Schlupfes κ kann zusätzlich berücksichtigt werden, dass ein Vorder- und ein Hinterrad nicht unbedingt den gleichen Abrollumfang aufweisen müssen, ebenso wie unterschiedliche Profilarten und Luftdrücke.
Generell kann die kritische Querbeschleunigung a_y,Krit, bei welcher die Kippgrenze erreicht wird, über das Antriebsmoment M berechnet wird M = p·F_z(a_y)·(κ + κ₀) (1) mit: Antriebsmoment M, Radlast F_z, Schlupf κ, Proportionalitätsfaktor p, Querbeschleunigung a_y, mögliche Nullpunktverschiebung κ₀,
wobei sich die Radlast F_z, aus der statischen Last F_z0, modifiziert um die Querbeschleunigung a_y berechnet, F_z = F_z0 + q·a_y (2) wobei Gleichung (2) in Gleichung (1) eingesetzt ergibt, M = p·(F_z0 + q·a_y)·(κ + κ₀) M = p·q·κ₀·a_y + p·F_z0·κ + p·q·a_y·k + p·F_z0κ₀ (3) wobei die Gleichung (3) in einer vereinfachten Vektordarstellung ausgedrückt,
ergibt und wobei die kritische Querbeschleunigung a_y,Krit, bei der die Radlast F_z zu Null und die Kippgrenze erreicht wird, aus Gleichung (2) berechnet wird, 0 = F_z0 + q·a_y,Krit
Um Sicherheit darüber zu erhalten, ob die Ergebnisse die wahre Lösung angenähert haben, kann noch ein zweiter Lösungsweg beschritten werden. Erst wenn die zwei unterschiedlichen Verfahren ähnliche Ergebnisse liefern kann man davon ausgehen, dass die erreichte Lösung hinreichend genau ist. Setzt man in der Gleichung (1) die Querbeschleunigung zu Null – dieser Zustand dürfte am häufigsten auftreten – so bleibt folgendes übrig: M = p·F_z0·(κ + κ₀)
Bzw. in der Vektordarstellung:
Der Parameter x₂ ist also die Umfangsschlupfsteifigkeit des Hinterrades bei Geradeausfahrt, x₄ die Nullpunktverschiebung des Antriebsmomentes. Der Quotient
ist der virtuelle Schlupf, der sich aus dem Unterschied der Abrollumfänge zwischen Vorder- und Hinterrad ergibt. Um hier das richtige Ergebnis zu bekommen, dürfen nur Messungen ausgewertet werden, die bei kleiner Querbeschleunigung entstanden sind. Man kann nun die so ermittelten Parameter in die ursprüngliche Gleichung übernehmen, jetzt aber auf die Seite der bekannten Größen. M – p·F_z0·κ – p·F_z0·κ₀ = p·q·κ₀·a_y + p·q·a_y·κ
In der Vektordarstellung:
In diese Gleichung müssen wiederum Daten einfließen, die unter deutlicher Querbeschleunigung entstanden sind.
Um die Datensicherheit noch weiter zu erhöhen kann geprüft werden, wie gut Radmoment und Schlupf miteinander korrelieren. Die Korrelation ist dabei ein Maß für die lineare Abhängigkeit zweier Größen und wird hier ermittelt, da der Zusammenhang zwischen Radmoment und Schlupf im allgemeinen nur im Bereich um Null linear ist. Beispielsweise können kurzwellige Bodenunebenheiten zu nichtlinearen Effekten im Reifenverhalten führen, welche mittels der Korrelationsrechnung erkannt und gefiltert werden können: Bei schlechter Korrelation werden die gemessenen Daten verworfen. Die Korrelation braucht sich dabei nicht auf Einzelwerte sondern kann sich auf einen Zeitabschnitt zu beziehen, wobei also der gesamte Datenbestand eines Zeitfensters ausgewertet, und je nach Ergebnis gewichtet werden kann.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei eine Vorrichtung verwendet werden, die zumindest einen Querbeschleunigungssensor, eine Rechnereinrichtung, einen (Drehzahlmesser) Vorrichtung zur Messung der Motor- und Raddrehzahlen, einen Lastsensor und eine Einrichtung zur Erfassung eines Antriebsmoments (indirekt Umfangskraft) aufweist. Mittels der Rechnereinrichtung werden dabei die im vorherigen Absatz beschriebenen Rechenoperationen durchgeführt und bei Erreichen der kritischen Querbeschleunigung a_y,Krit ein entsprechender Steuerungsbefehl an ein System zur Fahrstabilisierung und damit zum Bremseingriff gegeben. Die Drehzahlmesser und Sensoren können dabei in bekannter und kostengünstiger Weise ausgeführt werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich somit ein Umkippen eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, sicher verhindern, ohne dabei die Nachteile behindernder Bremseingriffe und damit Fahrkomforteinbußen in Kauf nehmen zu müssen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008042433 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Erkennung einer Kippgrenze eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, bei dem – eine Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs gemessen wird, – ein Antriebsmoment M an mindestens einem angetriebenen Fahrzeugrad ermittelt wird, – ein Schlupf κ, das heißt eine Drehzahldifferenz zwischen angetriebenen und nicht angetriebenen Fahrzeugrädern ermittelt wird, wobei der Schlupf κ sowohl von dem Antriebsmoment M als auch von einer Radlast F_z abhängig ist, – diejenige kritische Querbeschleunigung a_y,Krit berechnet wird, bei welcher die Radlast F_z an wenigstens einem kurveninneren Fahrzeugrad gleich Null ist und damit die Kippgrenze zumindest annähernd erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbeschleunigung a_y des Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung eines Wankwinkels sowohl des Kraftfahrzeugs als auch einer Fahrbahn ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines definierten Grenzwertes liegende Abweichungen der ermittelten Querbeschleunigung a_y nicht für die Berechnung der kritischen Querbeschleunigung a_y,Krit verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Antriebsmoments M am Fahrzeugrad und damit auch bei der Ermittlung einer davon abhängigen Umfangskraft zumindest einer der folgenden Parameter berücksichtigt wird; Wirkungsgrad eines Triebstranges, Sperrwirkung eines Differentialgetriebes, dynamisches Verhalten des Motormomentes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Schlupfes κ eine Bewegungsbahn der Fahrzeugräder berücksichtigt wird, wobei bei einem Unterschreiten eines Grenzwertes eines gefahrenen Kreisradius, der aus der Fahrgeschwindigkeit und aus der Gierrate berechnet wird, der hieraus ermittelte Schlupf κ nicht verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Querbeschleunigung a_y,Krit, bei welcher die Kippgrenze erreicht wird, über das Antriebsmoment M berechnet wird M = p·F_z(a_y)·(κ + κ₀) (1) mit: Antriebsmoment M, Radlast F_z, Schlupf κ, Proportionalitätsfaktor p, Querbeschleunigung a_y, mögliche Nullpunktverschiebung κ₀, wobei sich die Radlast F_z, aus der statischen Last F_z0, modifiziert um die Querbeschleunigung a_y berechnet, F_z = F_z0 + q·a_y (2) wobei Gleichung (2) in Gleichung (1) eingesetzt ergibt, M = p·(F_z0 + q·a_y)·(κ + κ₀) M = p·q·κ₀·a_y + p·F_z0·κ + p·q·a_y·κ + p·F_z0·κ₀ (3) wobei die Gleichung (3) in einer vereinfachten Vektordarstellung ausgedrückt,
ergibt und wobei die kritische Querbeschleunigung a_y,Krit, bei der die Radlast F_z zu Null und die Kippgrenze erreicht wird, aus Gleichung (2) berechnet wird, 0 = F_z0 + q·a_y,Krit
Vorrichtung zur Erkennung einer Kippgrenze eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest einen Querbeschleunigungssensor, eine Rechnereinrichtung, einen Drehzahlmesser, einen Lastsensor und eine Einrichtung zur Erfassung eines Antriebsmoments aufweist.