DE102016214564A1

DE102016214564A1 - Verfahren und Steuersystem zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016214564A1
Application number: DE102016214564.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Grau; Lars Goering
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2018-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Steuersystem zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welches mit mindestens einem Vorderrad (2) und mit mindestens einem Hinterrad (3) ausgebildet ist, mit den Schritten: Erfassen eines oder mehrerer Werte mindestens einer für den Fahrzustand des Fahrzeugs (1) charakteristischen Größe am Fahrzeug (1) und/oder von deren zeitlicher Entwicklung, Bestimmen aus erfassten Werten der mindestens einen Größe und/oder aus deren zeitlicher Entwicklung, ob sich das Fahrzeug (1) in einem Driftzustand befindet, beim Vorliegen eines Driftzustandes gesteuertes Ausüben einer Bremskraft auf das mindestens eine Vorderrad (2), wobei ein Maß und/oder ein zeitlicher Verlauf der Bremskraft so gewählt und/oder gesteuert oder geregelt eingestellt sind oder werden, dass sich über eine sich ergebende Radlängskraft (FxV) und über einen Schwimmwinkel (β) eine Radquerkraft (FyV) an dem mindestens einen Vorderrad (2) ausbildet und dadurch die Gierbeschleunigung (Ψ.. ) des Fahrzeugs (1) nicht ansteigt und insbesondere temporär sinkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs, ein Steuersystem zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs und ein Fahrzeug. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch ein Verfahren und ein Steuersystem zur Fahrdynamikregelung eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug als solches.
Im Bereich der Fahrzeugtechnik und insbesondere bei Kraftfahrzeugen erfreuen sich Fahrassistenzsysteme im Allgemeinen einer steigenden Beliebtheit. Bekannte Fahrassistenzsysteme sollen den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit erhöhen. So werden ESP-Systeme und DSR-Systeme vorgesehen, um die Stabilität von Fahrzeugzeugen im Betrieb zu steigern. Derartige Systeme greifen häufig dann ein, wenn sich eine fahrkritische Situation erst anbahnt, so dass ein Fahrrisiko, gerade für den unerfahrenen Fahrer, von vornherein vermieden wird.
Andererseits gibt es Fahrsituationen, bei welchem ein derartiger Eingriff als zu restriktiv und bevormundend empfunden wird. Dies betrifft insbesondere den versierten oder sportlichen Fahrer, der Fahrsituationen in einem größeren Dynamikbereich erleben möchte, zum Beispiel einen Zustand des Driftens des Fahrzeugs.
Bisherige Fahrassistenzsysteme sind nicht in der Lage, derartige dynamische Grenzbereiche einerseits zuzulassen und andererseits dennoch für die notwendige Fahrsicherheit zu sorgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein System zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug als solches bereitzustellen, bei welchen ein Betrieb in einem erweiterten Fahrdynamikbereich möglich ist, ohne dass Abstriche an der Fahrsicherheit hingenommen werden müssen.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einem System zur Fahrdynamikregelung erfindungsgemäß den mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 und bei einem Fahrzeug erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs geschaffen, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welches mit mindestens einem Vorderrad und mit mindestens einem Hinterrad ausgebildet ist, mit den Schritten:

(S1) Erfassen eines oder mehrerer Werte mindestens einer für den Fahrzustand des Fahrzeugs charakteristischen Größe am Fahrzeug und/oder von deren zeitlicher Entwicklung,
(S2) Bestimmen aus erfassten Werten der mindestens einen Größe und/oder aus deren zeitlicher Entwicklung, ob sich das Fahrzeug in einem Driftzustand befindet,
(S3) beim Vorliegen eines Driftzustandes gesteuertes Ausüben einer Bremskraft auf das mindestens eine Vorderrad (2),

_xV

_yV

2

1

Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist zunächst ein Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Driftzustands des Fahrzeuges zu bestimmen, und nur für den Fall, dass ein Driftzustand am Fahrzeug bereits vorliegt, zusätzlichen Maßnahmen zu ergreifen, die das Ziel haben, das Fahrzeug quasistabil im Driftzustand zu halten.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass beim Vorliegen eines Driftzustands in gesteuerter Art und Weise eine Bremskraft auf ein oder mehrere Vorderräder des Fahrzeugs ausgeübt wird. Die Bremskraft führt in Bezug auf das jeweilige Vorderrad zu einer Radlängskraft und über den im Driftzustand vorliegenden Schwimmwinkel in Abhängigkeit von dessen Größe zu einer Reifenkraft, die durch den Vorderradeinschlagwinkel eine Querkraft in Bezug auf die Fahrzeuglängsachse ausübt.
Diese durch das Anbremsen absichtsvoll erzeugte Querführungskraft führt in Zusammenhang mit der Bewegungsgleichung des Fahrzeugs und dem sich neu einstellenden Momentengleichgewicht zu einer Dämpfung der Gierbeschleunigung und damit zu einem Unterdrücken einer weiteren Steigerung der Gierrate des Fahrzeugs.
Im Endeffekt wird also die Gierrate des Fahrzeugs stabilisiert. Dies bedeutet, dass der kritische Zustand, nämlich der Driftzustand, des Fahrzeugs ebenfalls stabilisiert, zumindest jedoch nicht absichtsvoll reduziert wird. Ein Überschwingen des Fahrzeugs in der einen oder in der anderen Richtung in Bezug auf den Schwimmwinkel wird dadurch verhindert und das Auftreten des Driftzustandes kann voll ausgekostet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind oder werden das Maß – z.B. im Sinne einer Stärke oder Intensität – und/oder der ein zeitlicher Verlauf der Bremskraft so gewählt und/oder gesteuert oder geregelt eingestellt, dass dadurch die Gierbeschleunigung Ψ .. des Fahrzeugs auf den Wert null hin eingestellt wird und/oder temporär negative Werte annimmt.
In Abhängigkeit von Parametern des Fahrzeugs, der Umgebung und/oder des Fahrers können Dynamikbereiche für den Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens festgelegt werden.
So ist es gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Maß und/oder der zeitliche Verlauf der Bremskraft so gewählt und/oder gesteuert oder geregelt eingestellt sind oder werden, dass dadurch die Gierrate Ψ . des Fahrzeugs in einem Bereich zwischen einem vorbestimmten ersten, niedrigeren Schwellenwert Ψ .₁ und einem vorbestimmten zweiten, höheren Schwellenwert Ψ .₂ eingestellt ist oder wird.
Das Maß des Driftens ist unter anderen über die Schräglaufwinkel beschreibbar und feststellbar.
Die Schräglaufwinkel eignen sich ebenfalls zur Einstellung des Dynamikbereichs für das erfindungsgemäße Verfahren.
Dazu kann es bei einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass das Maß und/oder der zeitliche Verlauf der Bremskraft so gewählt und/oder gesteuert oder geregelt eingestellt sind oder werden, dass dadurch die Schräglaufwinkeldifferenz Δα_c zwischen einem Schräglaufwinkel α_V eines Vorderrades des Fahrzeugs und einem Schräglaufwinkel α_H eines Hinterrades des Fahrzeugs einen negativen Wert annimmt oder beibehält, insbesondere in einem Bereich zwischen einem ersten, niedrigeren Schwellenwert Δα₁ und einem zweiten, höheren Schwellenwert Δα₂.
Es bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten an, das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Driftzustandes des Fahrzeugs zu erkennen.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Schritt S2 auf das Vorliegen eines Driftzustandes beim Fahrzeug erkannt, wenn

(A) eine Schräglaufwinkeldifferenz Δα_c zwischen einem Schräglaufwinkel α_V eines Vorderrades des Fahrzeugs und einem Schräglaufwinkel α_H eines Hinterrades des Fahrzeugs zu einem oder zu mehreren Zeitpunkten negative Werte annimmt und
(B) für alle negativen Werte der Schräglaufwinkeldifferenz Δα_c die Gierrate Ψ . des Fahrzeugs zu einem oder zu mehreren Zeitpunkten Werte in einem Bereich zwischen einem dritten, niedrigeren Schwellenwert Ψ .₃ und einem vierten, höheren Schwellenwert Ψ .₄ annimmt.

Um das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Driftzustandes zu erkennen und dessen Stabilität zu gewährleisten, können verschiedene Messgrößen am Fahrzeug erfasst werden, welche den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs charakterisieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit vorgesehen, dass im Schritt (S1) des Erfassens ein oder mehrere Werte einer oder mehrerer der folgenden Größen erfasst werden:

– eine Gierrate (Ψ .) des Fahrzeugs (1),
– eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs (1),
– eine Raddrehzahl eines oder mehrerer Räder (2, 3) des Fahrzeugs (1),
– eine Lenkkraft und insbesondere eine Zahnstangenkraft des Fahrzeugs (1),
– einen Schräglaufwinkel (α_V) eines Vorderrades (2) des Fahrzeugs (1),
– einen Schräglaufwinkel (α_H) eines Hinterrades (3) des Fahrzeugs (1),
– einen Schwimmwinkel (β) des Fahrzeugs (1) und/oder
– einen Lenkwinkel (α_V) eines Rades des Fahrzeugs.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei unter einem Erfassen eine direkte oder indirekte Bestimmung durch Messung, gegebenenfalls unter Einbeziehung von Berechnungs- und/oder Schätzalgorithmen verstanden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein System zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs geschaffen, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welches mit mindestens einem Vorderrad und mit mindestens einem Hinterrad ausgebildet ist, welches eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder in einem solchen Verfahren verwendet zu werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems weist dieses

(I) eine Einheit zum Erfassen eines oder mehrerer Werte mindestens einer für den Fahrzustand des Fahrzeugs charakteristischen Größe am Fahrzeug und/oder von deren zeitlicher Entwicklung,
(II) eine Einheit zum Bestimmen – aus erfassten Werten der mindestens einen Größe und/oder aus deren zeitlicher Entwicklung – ob sich das Fahrzeug in einem Driftzustand befindet,
(III) eine Einheit zum gesteuerten Ausüben einer Bremskraft auf das mindestens eine Vorderrad beim Vorliegen eines Driftzustandes,

Das System ist vorteilhafterweise eingerichtet, ein Maß und/oder einen zeitlichen Verlauf der Bremskraft so zu wählen und/oder gesteuert oder geregelt einzustellen, dass sich über eine sich ergebende Radlängskraft F_xV und über einen Schwimmwinkel β ein nicht verschwindender Querkraftanteil F_yV an der Vorderachse, insbesondere an dem mindestens einen Vorderrad ausbildet und dadurch die Gierbeschleunigung Ψ .. des Fahrzeugs nicht ansteigt und insbesondere temporär sinkt.
Ferner wird durch die vorliegende Erfindung auch ein Fahrzeug und insbesondere ein Kraftfahrzeug geschaffen. Kernaspekt des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist das Vorsehen eines Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Betrieb ist das erfindungsgemäße Fahrzeug somit in der Lage, einen Driftzustand des Fahrzeugs zu erkennen und Maßnahmen zu aktivieren, die diesen Driftzustand quasi stabil beibehalten, um dem Fahrer in einem sportlichen Fahrmodus zu unterstützen.
Es können zusätzlich oder alternativ auch folgende Aspekte aufgegriffen werden:
Zur Erkennung eines Driftzustandes können

– ein oder mehrere Fahrzustandsgrößen zur Ermittlung eines Fahrzeugistzustandes, zum Beispiel eine Querbeschleunigung und/oder eine Gierrate,
– ein oder mehrere Fahrzustandsgrößen zur Ermittlung eines Fahrzeugsollzustandes, insbesondere analog zum Fahrzeugistzustand, und/oder
– der Schwimmwinkel, beispielsweise durch einen Beobachter,

Zur Erkennung des Einflusses der Vorderradkräfte können

– ein Lenkwinkel und/oder
– eine Zahnstangenkraft, beispielsweise durch eine Beobachter,

Zur Begrenzung der Gierbeschleunigung lässt sich durch einen Bremseingriff des kurveninnerern oder kurvenäußeren Vorderrades ein ein- oder ein ausdrehendes Giermoment aufbauen.
Das Giermoment hängt von einer Grenzgierbeschleunigung ab, die beispielsweise durch Applikation ermittelt werden kann.
Das Maß der auszuübenden Bremskraft lässt sich durch das Momentengleichgewicht um die Fahrzeughochachse unter Vorgabe der Giergrenzbeschleunigung ermitteln. Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
1A und 1B zeigen in schematischer Draufsicht im Einspurmodell ein erfindungsgemäßes Fahrzeug und geben Erläuterungen zu den die Fahrdynamik beschreibenden Größen.
2 und 3 beschreiben in schematischer Draufsicht im Einspurmodell ein Fahrzeug in einem normalen Fahrzustand sowie in einem erfindungsgemäß stabilisierten Driftzustand.
4 zeigt nach Art eines Baumdiagramms einen Vergleich des erfindungsgemäßen Vorgehens zu einem herkömmlichen Fahrassistenzsystem bzw. zu einem nicht durch ein System unterstützten Betrieb.
5 zeigt nach Art eines Flussdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs.
6 und 7 zeigen Aspekte einer Regelung, die bei dem in 5 gezeigten Verfahren verwirklicht sein können.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form voneinander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Die 1A und 1B zeigen in schematischer Draufsicht anhand eines Einspurmodells ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 1.
Anhand dieser schematischen Darstellung werden verschiedene Größen erläutert und definiert, die zur Erfassung eines Fahrzustandes eines Fahrzeugs 1 und zu dessen Beeinflussung herangezogen werden können.
In dem in den 1A und 1B verwendeten Einspurmodell werden neben der Fahrzeugmasse m und der Lage des Schwerpunkts S des Fahrzeugs 1, indem die Masse m des Fahrzeugs 1 konzentriert gedacht wird, noch die Fahrzeuglängsachse 4 und stellvertretend ein Vorderrad 2 und ein Hinterrad 3 als Komponenten verwendet.
In den Situationen der 1A und 1B befindet sich das Modellfahrzeug 1 mit Vorderrad 2, Hinterrad 3 und Fahrzeuglängsachse 4 mit seiner im Schwerpunkt S konzentrierten Fahrmasse m in einer Kurvenfahrt mit einem Kurvenmittelpunkt oder Momentanpol M und einem Kurvenradius R zum Schwerpunkt S. Das Vorderrad 2 ist um einen Lenkwinkel δ_V zur Fahrzeuglängsachse 4 eingeschlagen.
Auf Grund der Fahrzeuggeschwindigkeit V liegt bei der Kurvenfahrt in einem entsprechenden Dynamikbereich eine Abweichung zwischen der Richtung der Geschwindigkeit V und der Richtung der Fahrzeuglängsachse 4 vor. Die entsprechende Winkeldifferenz wird als Schwimmwinkel β bezeichnet.
Des Weiteren entspricht die Fortbewegungsrichtung der Vorder- und Hinterräder 2 und 3 nicht unbedingt der momentanen Fahrrichtung. Vielmehr liegt ein so genannter Schräglauf mit einem jeweiligen Schräglaufwinkel α_V für das Vorderrad 2 bzw. α_H für das Hinterrad 3 vor.
Auf Grund seiner Bewegung ergibt sich im Schwerpunkt S eine Drehung um die durch den Schwerpunkt S laufende Fahrzeughochachse. Die entsprechende Drehbewegung um den Fahrzeugschwerpunkt wird als Gieren bezeichnet und durch die Gierrate Ψ . und durch die Gierbeschleunigung Ψ .. beschrieben.
Der Abstand zwischen den Aufpunkten von Vorderrad 2 und Hinterrad 3 in Bezug auf den Schwerpunkt S des Fahrzeugs 1 werden als entsprechende Hebel l_V und l_H aufgefasst, an welchen die Radquerkräfte F_yV für das Vorderrad 2 und F_yH für das Hinterrad 3 angreifen und so im Zusammenwirken mit der Geschwindigkeit V zu einer Zentripetalbeschleunigung a_F mit einem entsprechenden Gesamtmoment J·Ψ .. zusammenwirken.
In 2 sind die Größen noch einmal für eine normale Kurvenfahrt des Fahrzeugs 1 dargestellt. Die sich ergebenden Radquerkräfte F_yH für das Hinterrad 3 und F_yV für das Vorderrad 2 führen im Zusammenwirken mit den Hebeln l_H und l_V zwischen Radaufpunkt und Schwerpunkt S des Fahrzeugs 1 über die Bewegungsgleichung J·Ψ .. = F_yV·l_V – F_yH·l_H. (1) im stationären Fall zu einem Momentengleichgewicht.
3 erläutert den sogenannten Driftzustand, welcher dadurch stabilisiert wird, dass auf das Vorderrad 2 durch Anbremsen mit einer Bremskraft zunächst eine Längskraft F_xV auf das Vorderrad 2 ausgeübt wird, die über den Lenkwinkel δ_V zu einer Reifenquerkraft führt, die sich quantitativ aus dem Lenkwinkel δ_V zu F_xV·l_V·sin(δ_V). (2a) bestimmt.
Durch Wahl des Modus des Anbremsens des Vorderrades kann in rückgekoppelter Art und Weise dynamisch der Driftzustand quasi stabil gehalten werden. Insbesondere wird dabei ein weiteres und übersteigertes Eindrehen des Fahrzeugs und bei einer entsprechenden Lenkbewegung ein Gegenpendeln erfindungsgemäß verhindert.
Da ein Fahrzustand auch bei einer Übersteuersituationen von der Lenkbewegung abhängig ist, lässt sich das beschriebene Konzept mit Lenkmomentempfehlungen koppeln.
Entscheidend ist im Rahmen der Erfindung die Empfehlung sein, eine Gegenlenkbewegung nicht über das notwendige Maß hinaus auszuführen, insbesondere um die Intensität eines Gegenpendlers zu reduzieren.
Auch die Erweiterung einer DSR-Funktionalität wäre denkbar, wobei ein Gegenlenkmoment (applikativ) ab einem Lenkwinkel (applikativ) im Bereich des Schwimmwinkels aufgebaut wird, welches dem Fahrer bei einer überzogenen Lenkbewegung eine Dämpfung signalisiert.
4 zeigt schematisch nach Art eines Blockdiagramms und quasi in tabellarischer Form verschiedene Betriebsmodi für die Fahrassistenz bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug.
Am Fahrzeug werden dabei im Abschnitt T0 insbesondere die Gierrate, die Querbeschleunigung, die Raddrehzahl und die Lenkkraft oder Zahnstangenkraft die Lenkung ermittelt.
Dann wird im Abschnitt T1 festgestellt, ob der Beginn eines Übersteuerns vorliegt oder ansteht.
Dann wird auf Grund verschiedener Kriterien im Abschnitt T2 eine Eingriffsstrategie ausgewählt. Die verschiedenen Kriterien beinhalten auch das An- oder Abschalten entsprechender Fahrassistenzkomponenten, zum Beispiel im Cockpit des Fahrzeugs.
Gemäß einer ersten Strategie kann zum Beispiel im Abschnitt T4 ein ESP-System eingeschaltet sein. Zielsetzung eines ESP-Systems ist die Vorabvermeidung eines Übersteuerns. Es wird durch gezieltes Beeinflussen von Lenkung, Bremsung und/oder Motor versucht, die Schräglaufwinkeldifferenz Δα_c = α_V – α_H strikt positiv zu halten, so dass die Bedingung Δα_c ≥ 0 erfüllt ist. Der Eingriff erfolgt durch entsprechendes Anbremsen auf ein oder mehreren Vorderrädern 2 zur Begrenzung der Gierrate Ψ . und/oder des Schwimmwinkels β und zur Reduktion der Fahrzeuggeschwindigkeit V.
Alternativ dazu können gemäß Abschnitt T5 das ESP-System und jegliches andere System abgeschaltet sein. In diesem Fall erfolgt die Regelung der Fahrzeugdynamik allein durch die vom Fahrer ergriffenen Manipulationen, Bremsung und/oder Motoransteuerung. Ein Systemeingriff in automatischer oder halbautomatischer Weise ist in diesem Fahrmodus nicht vorgesehen.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Eingriff gemäß Abschnitt T3 nur dann, wenn ein Driftzustand vorliegt und auch beabsichtigt ist.
Zielsetzung ist hier unter anderem die Vermeidung so genannter Gegenpendelbewegungen. Dies wird erreicht, indem die Gierrate Ψ . unterhalb eines Schwellenwerts eingestellt wird, und zwar für den Fall, dass eine Drift vorliegt, dass also die Querlaufwinkeldifferenz negative Werte aufweist, nämlich gemäß der Beziehung Ψ .₁ ≤ Ψ . ≤ Ψ .₂, wenn nur Δα_c < 0.
Der Eingriff erfolgt durch eine entsprechende Bremsaktuierung an einem oder mehreren Vorderrädern 2 zur Dämpfung der Gierratenreduktion.
5 zeig nach Art eines Flussdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems zur Fahrdynamikregelung.
Nach einer initialen Startphase wird dabei in einem Anfangsschritt S0 geprüft, ob die Durchführung einer Fahrassistenz im so genannten Driftmodus überhaupt gewünscht wird. Ist dies der Fall, so findet ein Übergang zum nachfolgenden Verarbeitungsschritt S1 statt. Ist dagegen manifest, dass der Driftmodus nicht gewünscht wird, zum Beispiel durch Setzen oder Nichtsetzen eines entsprechenden Flags, dann geht der Verarbeitungsfluss zum Endschritt und entsprechend zu einem Rücksprung zu einer Hauptverarbeitung zurück.
Wird dagegen eine Fahrdynamikassistenz im Driftmodus erwünscht, so folgt die Verarbeitung mit dem Schritt S1, nämlich dem Erfassen eines oder mehrerer Werte mindestens einer für den Fahrzustand des Fahrzeugs 1 charakteristischen Größe am Fahrzeug 1 und/oder von deren zeitlicher Entwicklung.
Dieser Verarbeitungsschritt S1 weist einen ersten Teilschritt S1-1 mit der eigentlichen Erfassung von Messwerten und einen zweiten Teilschritt S1-2 zur Auswertung und Zwischenbewertung der erfassten Werte auf.
Im anschließenden Schritt S2 wird geprüft, ob ein Driftzustand vorliegt.
Wird im Schritt S2 festgestellt, dass kein Driftzustand vorliegt, so findet ein Übergang zurück zum Schritt S0 statt und bietet die Möglichkeit, dass der Ablauf wieder verlassen wird, z.B. dann, wenn das Flag eines Wunsches für den Driftmodus nicht gesetzt ist oder inzwischen zurückgesetzt wurde.
Wird im Schritt S2 aus den erfassten Werten der mindestens einen Größe und/oder aus deren zeitlicher Entwicklung dagegen bestimmt, dass sich das Fahrzeug 1 im Driftzustand befindet, also insbesondere aus der Bewertung von Gierrate und Querlaufwinkeldifferenz, so folgt der nachfolgende Bearbeitungsschritt S3 des gesteuerten Ausübens einer Bremskraft auf das Vorderrad oder die Vorderräder.
Dazu findet in einem ersten Teilschritt S3-1 die Bestimmung des Maßes und/oder eines zeitlichen Verlaufs der auszuübenden Bremskraft statt.
Im nachfolgenden Teilschritt S3-2 werden dann das Maß und/oder der zeitliche Verlauf, die für die Bremskraft bestimmt wurden, verwendet, um die entsprechende Bremskraft auf ein Vorderrad 2 oder die Vorderräder 2 auszuüben. Dabei können unterschiedliche Vorderräder 2 auch mit unterschiedlichen Bremskräften beaufschlagt werden, je nachdem ob sie im Zusammenhang mit einer Kurverfahrt auf der Kurveninnenseite oder der Kurvenaußenseite angeordnet sind, gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung weiterer Parameter, zum Beispiel des Fahrbahnuntergrundes, des Schlupfes und so weiter.
Nach dem Ausüben der Bremskraft erfolgt ein Rücksprung zum Schritt S0, mit erneuter Erfassung der für den Fahrzustand des Fahrzeugs aktuell repräsentativen Messwerte.
Im Zusammenhang mit dem ersten Teilschritt S3-1 zur Bestimmung des Maßes und/oder eines zeitlichen Verlaufs der auszuübenden Bremskraft können auch verschiedene Regelkreisaspekte verwirklicht werden. Dieses sind bespielhaft in den Darstellungen der 6 und 7 abgebildet, welche möglich Details des Schrittes S3-1 aus dem Ablauf gemäß 5 illustrieren, wobei ein Zustand des Fahrzeugs 1 unter Driftbedingungen vorliegt.
Eine Alternative zur Berechnung der notwendigen Bremskräfte an der Vorderachse ist die Vorgabe eines Giermomentes an ein Steuergerät 4, z.B. ein ESP-Steuergerät, das die Berechnung einer Bremskraftverteilung durchführt.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Im Bereich dynamischer Fahrsituationen gelten einerseits Übersteuersituationen durch Nichtlinearitäten des Reifenseitenkraftverhaltens als anspruchsvolle Fahraufgaben. Gleichzeitig steigen die Fahrleistungen der entwickelten PKW stetig an.
Zur Unterstützung der – insbesondere sportlich versierten – Fahrer in fahrphysikalisch kritischen Fahrsituationen bei der Fahrzeugbeherrschung, existieren bereits verschiede Stabilitätsfunktionen, beispielsweise das ESP mit radindividuellen Bremseingriffen und das DSR mit Lenkmomentempfehlungen.
Herkömmliche Lösungen zur Beherrschung einer Übersteuersituation haben stets das Ziel, dem Übersteuern entgegenzuwirken. Dabei einer Situation des Übersteuerns vor ihrer Ausbildung bereits entgegengewirkt und somit bei ihrer Entstehung verhindert.
Eingriffe durch das ESP reduzieren z.B. dabei das Eindrehen des Fahrzeuges und somit durch die abnehmende Geschwindigkeit die Kritikalität der Fahrsituation.
Eingriffe in das Lenkmoment geben dem Fahrer dagegen eine Lenkrichtungsempfehlung, um durch Gegenlenken in Richtung des Schwimmwinkels die Übersteuersituation abzufangen.
Beide Lösungen helfen dem Fahrer, den Eintritt in eine Übersteuersituation vorab zu vermeiden oder eine bereits bestehende Übersteuersituation zu verlassen. Die bisherigen Maßnahmen lassen folglich keinen stabilen Driftzustand zu, sondern es wird das Erreichen eines Driftzustandes vorab unterbunden.
Während bei reinen Lenkmomentempfehlungen der Fahrer unter Umständen durch große Lenkwinkel und Lenkwinkelgeschwindigkeiten überfordert wird, wird eine Stabilisierung durch konsequente Geschwindigkeitsreduktion beim ESP als bevormundend empfunden und geht zu Lasten des Fahrspaßes.
Bei Lenkmomentempfehlungen besteht weiterhin die Gefahr, einen Fahrer zu großen Lenkbewegungen zu motivieren. Diese können eine Überreaktion des Fahrzeuges provozieren und eine Gegenpendelbewegung des Fahrzeuges hervorrufen, die meist deutlich sicherheitskritischer ist, als die eigentliche Übersteuersituation.
Zur Lösung der aufgeführten Problemstellung unterstützt das erfindungsgemäße Konzept durch Kombination von Lenk- und Bremseingriffen den Fahrer bei der Erhaltung eines quasistabilen Driftzustandes.
Unter Annahme einer Driftsituation, bei der ein – insbesondere sportlich versierter – Fahrer eine Gegenlenkbewegung auf oder in Richtung des Schwimmwinkels ausführt, regelt ein Längskrafteingriff an den Rädern der Vorderachse das Kräftegleichgewicht, um die Fahrzeughochachse aus.
Zur genaueren Beschreibung der Funktionsweise werden die in den 2 und 3 dargestellten Beispielfahrzustände beschrieben. Das Fahrzeug 1 wird hierbei in einem Einspurmodell repräsentiert.
2 beschreibt schematisch eine Kurvenfahrt eines Fahrzeugs 1 bei der sich die Reifen 2 und 3 im Haftreibungsbereich befinden und damit ein lineareres Reifenseitenkraftverhalten aufweisen.
Im Momentengleichgewicht und ergibt sich folgender Zusammenhang als Bewegungsgleichung des betrachteten Fahrzeugs 1: J·Ψ .. = F_yV·l_V·cos(δ_V) – F_yH·l_H. (1)
Dabei bezeichnen Ψ .. die Gierbeschleunigung, also die zweite zeitliche Ableitung des Gierwinkels Ψ, also des Fahrzeugwinkels um die Fahrzeughochachse z im Fahrzeugschwerpunkt M, die auch als Gierachse bezeichnet wird, J das Trägheitsmoment des Fahrzeugs 1 um die Gierachse, F_yV die Querkraft auf die Vorderräder 2 des Fahrzeugs 1, F_yH die Querkraft auf die Hinterräder 3 des Fahrzeugs 1, also jeweils die y-Komponente der Gesamtkraft im Bezugssystem des Fahrzeugs 1, und l_V und l_H die jeweiligen Hebellängen der Hebel, unter denen die Querkräfte F_yV und F_yH am Fahrzeug 1 angreifen und dadurch die Momente erzeugen. Die Querkräfte F_yV und F_yH am Fahrzeug werden auch als Reifenseitenkräfte bezeichnet.
Erreichen die Reifenseitenkräfte F_yH an den Rädern 3 der Hinterachse den Gleitreibungsbereich, erhöht sich das Verhältnis von Schräglaufwinkel- zu Reifenseitenkraftzuwachs. Steigt der Schräglaufwinkel der Räder 3 der Hinterachse nun stärker an als an den Rädern 2 der Vorderachse, so entsteht eine negative Schräglaufwinkeldifferenz.
Es herrscht dann eine Übersteuersituation wie dies in 3 dargestellt ist.
Um ein weiteres Eindrehen des Fahrzeuges 1 und damit ein Schleudern zu verhindern, kann herkömmlicherweise eine Gegenlenkbewegung in Richtung des Schwimmwinkels β ausgeführt werden.
Wird dabei aber durch den Vorderradeinschlagwinkel der Schräglaufwinkel an den Rädern 2 der Vorderachse kompensiert, wird das Moment F_yV·l_V auf Grund der die Querführungskraft F_yV in der oben aufgeführten Gleichung sehr gering und insbesondere null.
Das verbleibende Kräfte- und Momentengleichgewicht zwischen Giermoment und Einfluss der hinteren Achsseitenkraft ist dann durch die Nichtlinearität des Reifenseitenkraftverhaltens im Gleitreibungsbereich höchst instabil.
Bis zu einer Grenzgierrate führt die Reifenseitenkraft an den Rädern der Hinterachse zu einer ausdrehenden Gierbewegung. Diese gegenläufige Gierbewegung erfordert eine entsprechende Reaktion des Fahrers, um ein Schleudern des Fahrzeuges in entgegengesetzte Richtung zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Konzept besteht nun unter anderem darin, diese Gegenbewegung durch eine Längskraftregelung an den Rädern der Vorderachse zu dämpfen. Durch den Einfluss von erfindungsgemäß aufgebrachten Kraftkomponente F_xV ergibt dann sich ein neues Kräftegleichgewicht um die Hochachse.
Dieses Kräfte- und Momentengleichgewicht wird durch die Gleichung J·Ψ .. = F_xV·l_V·sin(δ_V) – F_yH·l_H. (2) beschrieben, dabei ist F_xV die durch eine Bremsbetätigung auf die Vorderräder 2 aufgeprägte Kraft als Längskraft in Bezug auf das jeweilige Rad 2 der Vorderachse. Aus der Winkelbeziehung mit dem Lenkwinkel δ_V, d.h. aus der Radstellung beim Anbremsen im Driftzustand ergibt sich nun doch eine resultierende Querkraft auf die Vorderachse, so dass die Gierbeschleunigung Ψ .. kontrollierbar bleibt und insbesondere bei einem quasistationären Wert für die Gierrate Ψ .. nicht anwächst und insbesondere etwa auf den Wert Null abgesenkt wird und dort verbleibt.
Das Ziel der erfindungsgemäßen Längskraftregelung besteht nun darin, durch Bremskrafteingriffe – beispielsweise durch eine geeignete Funktionalität eines elektrischen Bremskraftverstärkers – die Gierbeschleunigung Ψ .. so zu dämpfen, das mit entsprechender Absicht des Fahrers die Übersteuersituation stabil erhalten bleibt und die bestehende Gierrate stabilisiert ist.
Dabei ist es wichtig, dass das Verlassen des Driftzustandes ermöglicht wird. Die Stabilisierung bzw. Dämpfung bezieht sich auf die Gegenpendelbewegung, die gedämpft werden soll, um das Schleudern in die andere Richtung zu vermeiden. Nur das Erhalten einer Übersteuersituation allein würde ggf. zum Verlassen des Sollfahrtrajektorie führen.
Im Gegensatz zu den Konzepten bisheriger Stabilitätsprogrammen besteht das Ziel somit nicht darin, eine Reduktion der Fahrzustandskritikalität durch geschwindigkeitsreduzierende Bremseingriffe zu bewirken.
Vielmehr geht es um einen gezielten Bremseingriff an den Rädern der Vorderachse, der durch den Kraftanteil in Fahrzeugquerrichtung zu einem quasistabilen Driftzustand führt. Die Kraftkomponente in Fahrzeuglängsrichtung führt weiterhin zu einer Geschwindigkeitsreduktion, die jedoch zur Maximierung der Kurvendurchfahrtsgeschwindigkeit minimiert wird.
Diese Maßnahmen erhöhen folglich die Sportlichkeit und den Spaß am Fahren.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Vorderrad
3: Hinterrad
4: Steuergerät, ESP-Steuergerät
F_yV: Querkraft/Seitenkraft Vorderrad
F_xV: Längskraft Vorderrad
J: Fahrzeugträgheitsmoment um Gierachse
l_H: Hebellänge
l_V: Hebellänge
m: Fahrzeugmasse
M: Kurvenmittelpunkt
R: Kurvenradius in Bezug auf den Fahrzeugschwerpunkt S
S: Fahrzeugschwerpunkt
V: Fahrzeuggeschwindigkeit
α_H: Schräglaufwinkel Hinterrad
α_V: Schräglaufwinkel Vorderrad
β: Schwimmwinkel
δ_V: Lenkwinkel
Δα₁: Schwellenwert Schräglaufwinkeldifferenz
Δα₂: Schwellenwert Schräglaufwinkeldifferenz
Δα_c: Schräglaufwinkeldifferenz
Ψ : Gierrate
Ψ ₁: Schwellenwert Gierrate
Ψ ₂: Schwellenwert Gierrate
Ψ ₃: Schwellenwert Gierrate
Ψ ₄: Schwellenwert Gierrate
Ψ : Gierbeschleunigung

Claims

Verfahren zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welches mit mindestens einem Vorderrad (2) und mit mindestens einem Hinterrad (3) ausgebildet ist, mit den Schritten: (S1) Erfassen eines oder mehrerer Werte mindestens einer für den Fahrzustand des Fahrzeugs (1) charakteristischen Größe am Fahrzeug (1) und/oder von deren zeitlicher Entwicklung, (S2) Bestimmen aus erfassten Werten der mindestens einen Größe und/oder aus deren zeitlicher Entwicklung, ob sich das Fahrzeug (1) in einem Driftzustand befindet, (S3) beim Vorliegen eines Driftzustandes gesteuertes Ausüben einer Bremskraft auf das mindestens eine Vorderrad (2), wobei ein Maß und/oder ein zeitlicher Verlauf der Bremskraft so gewählt und/oder gesteuert oder geregelt eingestellt sind oder werden, dass sich über eine sich ergebende Radlängskraft (F_xV) und über einen Schwimmwinkel (β) eine nicht verschwindende Radquerkraft (F_yV) an dem mindestens einen Vorderrad (2) ausbildet und dadurch die Gierbeschleunigung (Ψ ..) des Fahrzeugs (1) nicht ansteigt und insbesondere temporär sinkt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Maß und/oder der zeitliche Verlauf der Bremskraft so gewählt und/oder gesteuert oder geregelt eingestellt sind oder werden, dass dadurch die Gierbeschleunigung (Ψ ..) des Fahrzeugs (1) auf den Wert null hin eingestellt wird und/oder temporär negative Werte annimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Maß und/oder der zeitliche Verlauf der Bremskraft so gewählt und/oder gesteuert oder geregelt eingestellt sind oder werden, dass dadurch die Gierrate (Ψ .) des Fahrzeugs (1) in einem Bereich zwischen einem vorbestimmten ersten, niedrigeren Schwellenwert (Ψ .₁) und einem vorbestimmten zweiten, höheren Schwellenwert (Ψ .₂) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Maß und/oder der zeitliche Verlauf der Bremskraft so gewählt und/oder gesteuert oder geregelt eingestellt sind oder werden, dass dadurch die Schräglaufwinkeldifferenz (Δα_c) zwischen einem Schräglaufwinkel (α_V) eines Vorderrades (2) des Fahrzeugs (1) und einem Schräglaufwinkel (α_H) eines Hinterrades (3) des Fahrzeugs (1) einen negativen Werte annimmt oder beibehält, insbesondere in einem Bereich zwischen einem ersten, niedrigeren Schwellenwert (Δα₁) und einem zweiten, höheren Schwellenwert (Δα₂).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem im Schritt S2 des Bestimmens auf das Vorliegen eines Driftzustandes beim Fahrzeug (1) erkannt wird, wenn (A) eine Schräglaufwinkeldifferenz (Δα_c) zwischen einem Schräglaufwinkel (α_V) eines Vorderrades (2) des Fahrzeugs (1) und einem Schräglaufwinkel (α_H) eines Hinterrades (3) des Fahrzeugs (1) zu einem oder zu mehreren Zeitpunkten negative Werte annimmt und (B) für alle negativen Werte der Schräglaufwinkeldifferenz (Δα_c) die Gierrate (Ψ .) des Fahrzeugs (1) zu einem oder zu mehreren Zeitpunkten Werte in einem Bereich zwischen einem dritten, niedrigeren Schwellenwert (Ψ .₃) und einem vierten, höheren Schwellenwert (Ψ .₄) annimmt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem im Schritt S1 des Erfassens ein oder mehrere Werte einer oder mehrerer der folgenden Größen erfasst werden: – eine Gierrate (Ψ .) des Fahrzeugs (1), – eine Querbeschleunigung des Fahrzeugs (1), – eine Raddrehzahl eines oder mehrerer Räder (2, 3) des Fahrzeugs (1), – eine Lenkkraft und insbesondere eine Zahnstangenkraft des Fahrzeugs (1), – einen Schräglaufwinkel (α_V) eines Vorderrades (2) des Fahrzeugs (1), – einen Schräglaufwinkel (α_H) eines Hinterrades (3) des Fahrzeugs (1), – einen Schwimmwinkel (β) des Fahrzeugs (1), – einen Lenkwinkel (δ_V) eines Rades (2, 3) des Fahrzeugs (1).
System zur Fahrdynamikregelung eines Fahrzeugs (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, welches mit mindestens einem Vorderrad (2) und mit mindestens einem Hinterrad (3) ausgebildet ist, welches eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
System nach Anspruch 7, mit: (I) einer Einheit zum Erfassen eines oder mehrerer Werte mindestens einer für den Fahrzustand des Fahrzeugs (1) charakteristischen Größe am Fahrzeug (1) und/oder von deren zeitlicher Entwicklung, (II) einer Einheit zum Bestimmen – aus erfassten Werten der mindestens einen Größe und/oder aus deren zeitlicher Entwicklung – ob sich das Fahrzeug (1) in einem Driftzustand befindet, (III) einer Einheit zum gesteuerten Ausüben einer Bremskraft auf das mindestens eine Vorderrad (2) beim Vorliegen eines Driftzustandes, wobei das Steuersystem eingerichtet ist, ein Maß und/oder einen zeitlichen Verlauf der Bremskraft so zu wählen und/oder gesteuert oder geregelt einzustellen, dass sich über eine sich ergebende Radlängskraft (F_xV) und über einen Schwimmwinkel (β) eine nicht verschwindende Radquerkraft (F_yV) an dem mindestens einen Vorderrad (2) ausbildet und dadurch die Gierbeschleunigung (Ψ ..) des Fahrzeugs (1) nicht ansteigt und insbesondere temporär sinkt.
Fahrzeug (1) und insbesondere Kraftfahrzeug mit einem System nach Anspruch 7 oder 8.