DE102015005018A1

DE102015005018A1 - Verfahren zur Bestimmung des lateralen Reibwerts zwischen mindestens einem Reifen eines Fahrzeugs und einer Fahrbahn

Info

Publication number: DE102015005018A1
Application number: DE102015005018.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Clauß; Putten Sebastian van; Hendrik Abel; Günther Prokop
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-04-21
Also published as: DE102015005018B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des lateralen Reibwerts zwischen mindestens einem Reifen eines Fahrzeugs und einer Fahrbahn. Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung des lateralen Reibwerts mittels einer Kombination einer teilweisen Vorwärtsrechnung und einer teilweisen Rückwärtsrechnung eines Gesamtfahrzeugmodells auf Basis von Fahrzeugmessgrößen und einem auf Subsystemebene parametrierten Fahrzeugmodell.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des lateralen Reibwerts zwischen mindestens einem Reifen eines Fahrzeugs und einer Fahrbahn nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Fahrzeugdynamik ist das laterale Reibwertverhalten von Reifen ein wesentlicher Faktor, insbesondere bezüglich des Fahrzeugverhaltens in dynamischen Grenzbereichen. Genau bestimmte laterale Reibwerte können daher vorteilhaft bei der Fahrzeugentwicklung und/oder bei Fahrversuchen und/oder Regelung der Fahrdynamik verwendet werden.
Es ist allgemein bekannt, Reibwertschätzungen zu lateralen Reibwerten mittels einfacher, invertierbarer Fahrzeugmodelle durchzuführen, welche jedoch kein exaktes Wissen von Reifenbetriebszuständen erlauben. Beispielsweise zeigen die Schriften DE 60 2005 004 847 T2 , DE 10 2006 054 805 und DE 10 2008 024 093 Verfahren für eine grobe Reibwertschätzung. Da die Betriebszustände damit nur ungenau ermittelt werden können, ist nur eine ungenaue Reibwertschätzung mit einer groben Identifizierung von Reibwertklassen, zum Beispiel „Trocken, Nass, Schnee” möglich. Solche nur ungenau geschätzten Reibwerte, insbesondere grob geschätzte laterale Reibwerte sind für eine effektive Weiterverarbeitung nur bedingt verwendbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung des lateralen Reibwerts zwischen mindestens einem Reifen eines Fahrzeugs und einer Fahrbahn vorzuschlagen, mit dem laterale Reibwerte mit vertretbarem Aufwand wesentlich genauer bestimmbar sind.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Bestimmung des lateralen Reibwerts mittels einer Kombination einer teilweisen Vorwärtsrechnung und einer teilweisen Rückwärtsrechnung eines Gesamtfahrzeugmodells auf Basis von Fahrzeugmessgrößen und einem auf Subsystemebene parametrierten Fahrzeugmodell erfolgt.
Als Fahrzeugmessgrößen werden zur Durchführung des Verfahrens als fahrdynamische Größen die Längsgeschwindigkeit v_x, die Längsbeschleunigung a_x, die Lateralbeschleunigung a_y mit einem Beschleunigungssensor und die Gierwinkelbeschleunigung ψ .. mit einem Giersensor gemessen, wobei die erfassten Messwerte mittels der teilweise Rückwärtsrechnung insbesondere zur Ermittlung der exakten Reifenbetriebszustände benutzt werden.
Im Verfahren wird für genaue Ergebnisse als Fahrzeugmodell ein Zwei-Spur-Modell (TTM = two track model) als Fünfmassenmodel in Zeitschritten gerechnet, das mittels Subsystemmessungen, insbesondere von geometrischen Eigenschaften wie Masse, Radstand, Trägheitstensor, etc. parametriert und um Achseigenschaften auf Basis von Achsmessungen (KnC) ergänzt wird. Die Messwerte der vorstehend genannten Subsystemmessungen liegen regelmäßig fahrzeugspezifisch bereits für andere Verwendungen vor, so dass hierauf ohne zusätzlichen Aufwand zurückgegriffen werden kann. Zudem werden die Starrkörperbewegungen und die Achskinematik und die Elastokinematik unter Zugrundelegung von Kraftschätzungen aus wenigstens einem vorhergehenden Zeitschritt (n – 1) errechnet.
Weiter werden durch Reifenmessungen erfasste Reifenbasiseigenschaften zur Berechnung von Vertikalkräften (F_Z) und die Abhängigkeiten des lateralen Reibwerts von der Radaufstandskraft (μ_dFZ) und vom Sturzwinkel (μ_γ) verwendet.
Die lateralen Reibwerte (μ ^_0,fr) für die Vorderachse und die Hinterachse werden durch eine Invertierung der Fahrzeugbewegungsgleichung berechnet und bestimmt, wobei für die Rückführung in den vorwärts gerechneten Teil des Fahrzeugmodells, insbesondere des Zwei-Spur-Modells (TTM) zudem die Längskraft (F_x) und die Seitenkraft (F_y) ausgegeben werden.
Konkret werden bei der Berechnung weiter folgende Größen verwendet:

– Reifenschräglaufwinkel (α)
– Reifensturzwinkel (γ)
– Vertikalposition Radmittelpunkt (Z)
– Radaufstandskraft (F_Z)
– Reifenrückstellmoment (M_Z)
– Abhängigkeiten des Reibwertes von der Radaufstandskraft (μ_dFZ) und vom Sturzwinkel (μ_γ)
– Spurwinkel und Sturzwinkel relativ zur Karosserie (δ, γ).

Anhand einer Zeichnung wird das Verfahren weiter erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Draufsicht (1a) und eine Frontansicht (1b) eines Zwei-Spur-Modells (TTM) mit den darauf wirkenden Kräften und Momenten,
2 eine schematische Darstellung der Topologie des Zwei-Spur-Modells (TTM), und
3 ein Flussdiagramm für die mit den Verfahren durchzuführenden Operationen.
In 1 ist eine Draufsicht (1a) und eine Frontansicht (1b) auf ein im Verfahren verwendetes Zwei-Spur-Modell (TTM) mit den darauf wirkenden Kräften und Momenten. Dabei sind folgende Bezeichnungen verwendet:

– mit x, y, z sind die Achsen eines fahrzeugzugeordneten Koordinatensystems bezeichnet mit x = Längsachse
– y = Querachse und z = Hochachse
– mit M sind Momente bezeichnet
– mit F sind Kräfte bezeichnet
– Y bezeichnet die Gierträgheit
– I bezeichnet Längsabstände und w bezeichnet Querabstände bzgl. Fahrzeugschwerpunkt
– der Index r* (rear) bezeichnet hintere Positionen und f* (front) bezeichnet vordere Positionen
– der Index *l (left) bezeichnet die linke Seite und *r (right) die rechte Seite
– δ bezeichnet Radlenkwinkel
– γ bezeichnet Radsturzwinkel

In 2 ist die Topologie des Zwei-Spur-Modells schematisch dargestellt mit einer Gesamtansicht (2a). In 2b sind die generellen Freiheitsgrade angegeben mit den Bewegungen in x-Richtung und y-Richtung sowie einer Rotation um die vertikale Achse Ψ.
Weiter ist in 2c und 2d der Modellkörper in eine gefederte Masse (7c) und vier ungefederte Massen (7d) entsprechend den Rädern aufgeteilt. Wie in 2c eingezeichnet, hat die ungefederte Masse einen Roll-Freiheitsgrad Φ, einen Nick-Freiheitsgrad ⊝ sowie einen Freiheitsgrad z in Hochrichtung. Wie in 2d eingezeichnet, haben die vier ungefederten Massen in Verbindung mit den Rädern jeweils einen Rotationsfreiheitsgrad um die Raddrehachse ⊝r sowie einen vertikalen Freiheitsgrad Z_r.
In 3 ist eine schematische Ansicht der Mess- und Rechenoperationen des Verfahrens dargestellt.
Ziel der Operation ist es, jeweils einen Zustandsvektor
zu erhalten, in dem als Lösung zusätzlich zu den genannten Kräften F_xfl bis F_yrr die lateralen Reibwerte μ ^_0f für die Räder der Vorderachse und die lateralen Reibwerte μ ^_0r für die Räder der Hinterachse enthalten sind.
Der Zustandsvektor x wird erhalten durch eine Inversion eines linearen Gleichungssystems x = A^–1Y
Dabei entspricht A einer Systemmatrix, in der im Wesentlichen geometrische Abhängigkeiten enthalten sind.
An den nicht voll ausgeschriebenen Stellen der Matrix sind die nachfolgenden Gleichungen einzusetzen
Mit Y ist der „Inputvektor” bezeichnet, in dem die Fahrzeugzustände berücksichtigt sind in folgender Form
Insbesondere sind in Y eine aerodynamische Kraft F_ae sowie Parameter χ, welche eine Momentenverteilung des Antriebs auf Vorder- und Hinterachse berücksichtigen. Weiter ist ein Faktor
enthalten, welcher unterschiedliche statische Radiusverteilungen berücksichtigt als Differenzen in den longitudinalen Hebelarmen. F_ae = 0.5*c_w*A*ϱ*v² wobei ϱ die Luftdichte, A die Fahrzeug-Stirnfläche und c_w den Luftwiderstandsbeiwert beschreibt.
Weiter sind Abhängigkeiten der einzelnen Reifen von Vertikalkräften und Sturzwinkeln berücksichtigt mit jeweils
In 3 ist in schematischer Darstellung die Abfolge und der Zusammenhang der für das Verfahren wesentlichen Mess- und Rechenoperationen dargestellt, wobei TTM für das Zwei-Spur-Modell (two track model) und KnC für Kinematik und Federung (Kinematics und Compliants) steht.
In Block 1 erfolgt die wesentliche Rechenoperation mit x = A^–1Y. Dazu wird dem Block 1 aus den Gesamtfahrzeugmessungen 2, insbesondere aus aktuellen fahrdynamischen Messungen, der Wert der Längsgeschwindigkeit v_x, der Längsbeschleunigung a_x, der Querbeschleunigung a_y und der Wert der Gierwinkelbeschleunigung Ψ .. zugeführt.
Weiter werden in einem Block 3, entsprechend einem vorwärts gerechneten Teil des Zwei-Spur-Modells TTM, aus Fahrzeugkomponentenmessungen 4 bekannte und/oder gemessene individuelle Fahrzeugeigenschaften wie beispielsweise das Fahrzeuggewicht, die Reifengröße, etc. berücksichtigt und rechnerisch verwertet. Zudem werden im Block 3 in Abhängigkeit vom Fahrzustand das dynamische Achsverhalten und Federungsverhalten berücksichtigt, was schematisch mit KnC angegeben ist. Im Ergebnis werden aus Block 3 ermittelte Radlenkwinkel δ und Sturzwinkel γ für die Weiterverarbeitung dem Block 1 zugeführt.
In einen weiteren Block 5 werden Drehmoment-Kraft-Abhängigkeiten der Reifen (MF-Reifen) im Modell berücksichtigt, wozu dem Block 5 Informationen aus dem Bereich Reifenmessung 6 über die aktuellen Reifen zugeführt werden. Zudem erhält Block 5 aus Block 3 dort ermittelte Informationen über Schräglaufwinkel α, Sturzwinkel γ. Vom Block 5 werden die Werte für die Radaufstandskräfte F_z, Reifenrückstellmomente M_z sowie Abhängigkeiten des Reibwerts von der Radaufstandskraft μ_dF_z sowie Abhängigkeiten des Reibwerts vom Sturzwinkel μ_γ ausgegeben. Diese Werte werden einerseits dem Block 1 für die Weiterverarbeitung zugeführt und andererseits jeweils für ein Rechenintervall (schematisch dargestellt durch Block 7) an den Block 3 rückgekoppelt.
Unter Verwendung der am Block 1 eingegebenen Messwerte und Informationen wird dort der Zustandsvektor x ermittelt und als Ergebnis werden die Longitudinal F_x, die Lateralkraft F_y sowie die ermittelten und abgeschätzten lateralen Reibwerte μ ^_0,fr jeweils für die Räder Vorderachse und Hinterachse ausgegeben. Zudem werden diese Werte wiederum für ein Messintervall entsprechend Block 7 rückgekoppelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 602005004847 T2 [0003]
DE 102006054805 [0003]
DE 102008024093 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des lateralen Reibwerts zwischen mindestens einem Reifen eines Fahrzeugs und einer Fahrbahn dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des lateralen Reibwerts (μ ^_0,fr) mittels einer Kombination einer teilweisen Vorwärtsrechnung und einer teilweisen Rückwärtsrechnung eines Gesamtfahrzeugmodells auf Basis von Fahrzeugmessgrößen und einem auf Subsystemebene parametrierten Fahrzeugmodell erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrzeugmessgrößen die fahrdynamischen Größen Longitudinalgeschwindigkeit (v_x), Longitudinalbeschleunigung (a_x), Lateralbeschleunigung (a_y) und Gierwinkelbeschleunigung (Ψ ..) gemessen werden und mittels der teilweisen Rückwärtsrechnung zur Ermittlung der exakten Reifenbetriebszustände benutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrzeugmodell ein Zwei-Spur-Modell (TTM = two track model) als Fünfmassenmodell in Zeitschritten gerechnet wird, das mittels Subsystemmessungen, insbesondere von geometrischen Eigenschaften wie Masse, Radstand, Trägheitstensor, etc. parametriert und um Achseigenschaften auf Basis von Achsmessungen (KnC = Kinematics and Compliance) ergänzt wird, und dass die Starrkörperbewegung und die Achskinematik und die Elastokinematik unter Zugrundelegung von Kraftschätzungen aus wenigstens einem vorhergehenden Zeitschritt (n – 1) errechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Reifenbasiseigenschaften, insbesondere durch Reifenmessungen erfasste Basiseigenschaften zur Berechnung von Vertikalkräften (F_Z) und für die Abhängigkeiten des lateralen Reibwerts von der Radaufstandskraft (μ_dFZ) und vom Sturzwinkel (μ_γ) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lateralen Reibwerte (μ ^_0,fr) für die Vorderachse und Hinterachse durch eine Invertierung der Fahrzeugbewegungsgleichung berechnet und bestimmt werden, wobei für die Rückführung in den vorwärts gerechneten Teil des Fahrzeugmodells insbesondere des Zwei-Spur-Modells (TTM) zudem die Längskraft (F_x) und die Seitenkraft (F_y) ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung weiter folgende Größen verwendet werden: – Reifenschräglaufwinkel (α) – Reifensturzwinkel (γ) – Vertikalposition Radmittelpunkt (Z) – Radaufstandskraft (F_Z) – Reifenrückstellmoment (M_Z) – Abhängigkeiten des Reibwertes von der Radaufstandskraft (μ_dFZ) und vom Sturzwinkel (μ_γ) – Spurwinkel und Sturzwinkel relativ zur Karosserie (δ, γ).