DE10244789A1

DE10244789A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10244789A1
Application number: DE2002144789
Authority: DE
Inventors: Manfred Hellmann; Markus Oenning; Yannick Mougey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-08

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Kraftfahrzeugs, indem die Antriebskraft des Kraftfahrzeugs sowie die Beschleunigung des Kraftfahrzeugs zu jeweils zwei Zeitpunkten bestimmt wird und aus der Antriebskraftdifferenz und der Beschleunigungsdifferenz die Fahrzeugmasse bestimmt wird. Hierzu ist eine Vorrichtung vorgesehen, die Mittel zur Bestimmung der Antriebskräfte umfasst, die Mittel zur Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigung umfasst, die Speichermittel umfasst, mittels derer Antriebskraftwerte und Beschleunigungswerte speicherbar sind, die Berechnungsmittel umfasst, die zur Ermittlung der Fahrzeugmasse aus zwei aufeinander folgenden Antriebskraftwerten und zwei aufeinander folgenden Beschleunigungswerten geeignet ist und die Ausgabemittel vorsieht, mittels derer die ermittelte Fahrzeugmasse an weitere Fahrzeugfunktionen ausgebbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Kraftfahrzeuges, in dem die Antriebskraft des Kraftfahrzeugs sowie die Beschleunigung des Kraftfahrzeugs zu jeweils zwei Zeitpunkten bestimmt wird und aus der Antriebskraftdifferenz und der Beschleunigungsdifferenz die Fahrzeugmasse bestimmt wird. Hierzu ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen, die Mittel zur Bestimmung der Antriebskräfte umfasst, die Mittel zur Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigung umfasst, die Speichermittel umfasst, mittels derer Antriebskraftwerte und Beschleunigungswerte speicherbar sind, die Berechnungsmittel umfasst, die zur Ermittlung der Fahrzeugmasse aus zwei aufeinander folgenden Antriebskraftwerten und zwei aufeinander folgenden Beschleunigungswerten geeignet ist, und die Ausgabemittel vorsieht, mittels derer die ermittelte Fahrzeugmasse an weitere Fahrzeugfunktionen ausgebbar sind.
Stand der Technik
In dem Buch „Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", erschienen im Verlag Vieweg & Sohn, Braunschweig, 23. Auflage, 1999, sind auf den Seiten 588 und folgende die theoretischen Grundlagen des Triebstrangs eines Automobils beschrieben. Insbesondere wird an dieser Stelle die Gleichgewichtsbeziehung zwischen Antriebskraft und Fahrwiderständen erläutert, bei der die treibende Kraft in der Reifenaufstandsfläche im Gleichgewicht stehen muss mit der Summe aus Rollwiderstand, Steigungswiderstand, Beschleunigungswiderstand sowie Luftwiderstand.
Kern und Vorteile der Erfindung
Der Kern der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Masse eines Kraftfahrzeugs sowie eine dafür ausgebildete Vorrichtung zu beschreiben sowie weiterhin Anwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen, wie das somit gewonnene Ergebnis weiter genutzt werden kann. Erfindungsgemäß wird dieses durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhafterweise werden die zwei Zeitpunkte, zu denen jeweils Antriebskraft und Beschleunigung des Kraftfahrzeugs ermittelt werden, so gewählt, dass die Fahrbahnsteigung, das Fahrzeugleergewicht sowie die Fahrzeugzuladung nahezu konstant bleiben. Wählt man die Zeitdauer τ zwischen den beiden Zeitpunkten t1 und t2 zu groß, so kann sich die Fahrbahnsteigung während dieser Zeitdauer derart stark verändern, dass das erfindungsgemäße Verfahren fehlerhafte Ergebnisse liefert. Ebenso kann sich bei zu langen Zeitdauern τ das Fahrzeugleergewicht oder die Fahrzeugzuladung verändern. Es ist daher notwendig, die Zeitdauer τ zwischen den beiden Zeitpunkten t1 und t2 möglichst kurz zu wählen, jedoch resultiert eine zu kleine Zeitdauer τ darin, dass sich Antriebskräfte und Beschleunigungen zwischen diesen Zeitpunkten t1 und t2 derart vernachlässigbar verändern, dass kein zuverlässiger Wert für die Fahrzeugmasse gewonnen werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Antriebskraft aus dem momentanen Motorausgangsmoment und der momentanen Getriebeübersetzung ermittelt wird. Die Antriebskraft ist eine Größe, die nicht direkt am Fahrzeug gemessen werden kann oder nur durch das Vorsehen besonderer Vorrichtungen. Durch Ermittlungen des Motorausgangsmomentes sowie der momentanen Getriebeübersetzung lässt sich auf einfache Weise die Antriebskraft ermitteln.
Vorteilhafterweise wird die Beschleunigung des Fahrzeugs aus mindestens einer Raddrehzahl ermittelt. Heutzutage ist nahezu jedes Fahrzeug mit Raddrehzahlsensoren ausgerüstet, die beispielsweise für Blockierschutzvorrichtungen oder Fahrdynamikregelungen vorgesehen sind. Durch das Messen der momentanen Raddrehzahl kann die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt werden, die nach einer zeitlichen Differenzierung die Beschleunigung des Fahrzeugs repräsentiert.
Vorteilhafterweise ist es möglich, die Beschleunigung des Fahrzeugs mittels eines Beschleunigungssensors zu ermitteln. Hierzu kann beispielsweise ein Beschleunigungssensor eingesetzt werden, der den Effekt der Massenträgheit ausnutzt und somit in der Lage ist, die Fahrzeugbeschleunigung in Längsrichtung festzustellen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass zur Massenbestimmung der Fahrzeugmasse der Quotient aus der Antriebskraftdifferenz und dem Produkt aus Beschleunigungsdifferenz und Massenfaktor gebildet wird. Der Massenfaktor ist hierbei eine Größe, die zur Ermittlung des Beschleunigungswiderstandes des Fahrzeugs benötigt wird und aus dem beschriebenen Stand der Technik bekannt ist.
Vorteilhafterweise kann in Abhängigkeit der ermittelten Fahrzeugmasse die Momentenoder Beschleunigungsanforderung, die von einem adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregler, mit dem das entsprechende Fahrzeug ausgerüstet ist, ausgegeben wird, veränderbar. Hierdurch ist es möglich, dass bei einer hohen Zuladung, die sich in der Fahrzeuglängsdynamik durch eine größere Trägheit bemerkbar macht durch eine Veränderung der ausgegebenen Momenten- bzw. Beschleunigungsanforderung kompensiert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass in Abhängigkeit der ermittelten Fahrzeugmasse die Getriebestufe des Fahrzeugs wählbar ist. Hierdurch ist es möglich, bei einer großen Fahrzeugzuladung die Schaltcharakteristik eines automatischen Getriebes so zu verändern, dass diese auf das momentane Fahrzeuggesamtgewicht abgestimmt ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass in Abhängigkeit der ermittelten Fahrzeugmasse eine Abnutzungsberechnung der Bremsbeläge des Fahrzeugs durchgeführt wird. Bei hoher Fahrzeugzuladung erhöht sich bei Verzögerungen mittels der Bremsanlage der Abrieb der Bremseinrichtungen. Durch die Berücksichtigung der Fahrzeuggesamtmasse zu den jeweiligen Verzögerungszeiträumen ist es möglich, die Abnutzung der Bremsbeläge a priori zu bestimmen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Fahrer akustisch und/oder optisch informiert wird, wenn die ermittelte Fahrzeugmasse des zulässige Fahrzeuggesamtgewicht überschreitet. Ein Überladen des Fahrzeugs über das zulässige Fahrzeuggesamtgewicht stellt ein bedeutendes Sicherheitsrisiko im Straßenverkehr dar, da die Bremseinrichtungen des Fahrzeugs nicht auf diese übergroße Fahrzeugmassen ausgelegt sind. Daher soll bei einer Überschreitung des zulässigen Fahrzeuggesamtgewichts der Fahrer beispielsweise durch einen Signalton, eine Sprachausgabe, eine Kontrollleuchte oder eine Klartextanzeige oder eine Kombination hieraus über dieses Risiko informiert werden.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Steuerelements, das für ein Steuergerät einer adaptiven Abstands- bzw. Geschwindigkeitsregelung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Steuerelemente ein Programm gespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere auf einem Mikroprozessor oder Signalprozessor, ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Steuerelement abgespeichertes Programm realisiert, so dass dieses mit dem Programm versehene Steuerelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt, wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Programm geeignet ist. Als Steuerelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, beispielsweise ein Read-Only-Memory.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Zeichnungen.
Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ausgehend von der fahrdynamischen Gleichung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, stellt sich diese zu
dar.
Dabei bildet der Term links des Gleichheitszeichens die treibende Kraft in der Reifenaufstandsfläche, der erste Summand rechts des Gleichheitszeichens den Rollwiderstand, der zweite Summand den Steigungswiderstand, der dritte Summand den Beschleunigungswiderstand sowie der vierte Summand den Luftwiderstand dar. Betrachtet man diese fahrdynamische Gleichung zu zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten t1 und t2 unter der Annahme, dass sich während der Zeitdauer τ = t2-tl die Steigung α, das Fahrzeugleergewicht sowie Fahrzeugzuladung näherungsweise nicht verändert haben, so kann man die Gleichung zum Zeitpunkt t2 von der Gleichung zum Zeitpunkt t1 abziehen und man erhält F1-F2=e∙m∙(a1-a2)
wobei F₁ die Fahrzeugantriebskraft zum Zeitpunkt t1, F₂ die Fahrzeugantriebskraft zum Zeitpunkt t2, e der Massenfaktor, m das Fahrzeuggesamtgewicht, a₁ die Fahrzeugbeschleunigung zum Zeitpunkt t1 sowie a₂ die Fahrzeugbeschleunigung zum Zeitpunkt t2 repräsentiert. Diese Gleichung lässt sich umformen in
Der Massenfaktor e berechnet sich zu
wobei J das Trägheitsmoment des Antriebsstrangs, m die Fahrzeugmasse und r der dynamische Reifenradius ist. Setzt man die Gleichung für e in die vorhergehende, nach m aufgelöste Gleichung ein, so erhält man nach Umformung und Auflösung nach m die Gleichung
Solange die Beschleunigungsdifferenz a₁-a₂ ungleich Null ist sowie die Antriebskraftdifferenz F₁-F₂ von Null verschieden ist, lässt sich auf diese Weise die Fahrzeugmasse m berechnen, sofern das Trägheitsmoment des Antriebsstrangs J sowie der dynamische Reifenradius r bekannt sind und deren Zahlenwerte in der Speichereinrichtung 7 abgelegt sind.
Für eine exaktere Bestimmung der Fahrzeugmasse ist es weiterhin möglich, den Luftwiderstand des Fahrzeugs mitzuberücksichtigen. In diesem Fall stellt sich die nach dem gleichen Vorgehen ermittelte Gleichung mit einem zusätzlichen, geschwindigkeitsabhängigen Term dar. Diese Gleichung lautet
wobei c_w der Luftwiderstandsbeiwert des Fahrzeugs, A die Fahrzeugstirnfläche, ρ die Luftdichte und v₁ bzw. v₂ die Fahrzeuggeschwindigkeiten zu den Zeitpunkten t1 bzw. t2 sind. Die restlichen Größen entsprechen den oben beschriebenen Größen. Die Fahrzeuggeschwindigkeit v₁ bzw. v₂ kann hierzu besipielswise von Raddrehzahlsensoren ermittelt werden, oder von der Fahrzeuggeschwindigkeitsanzeige, in der diese Größe ebenfalls bekannt ist, verwendet werden. Insbesondere bei der Ermittlung der Beschleunigungen a₁ bzw. a₂ mittels Raddrehzahlsensoren ist die Fahrzeuggeschwindigkeit bekannt, da hieraus durch Differenzierung nach der Zeit die Beschleunigung ermittelbar ist.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Man erkennt die Vorrichtung zur Ermittlung der Fahrzeugmasse 1, die über eine Eingangsschaltung 2 verfügt. Mittels der Eingangsschaltung 2 werden der Vorrichtung zur Ermittlung der Fahrzeugmasse 1 Eingangssignale zugeführt. Als Eingangssignale wird der Vorrichtung 1 die Antriebskraft F einer Antriebskraftermittlungseinrichtung 3 zugeführt. Diese Antriebskraftermittlungseinrichtung berechnet aus den Größen momentanes Motorausgangsmoment M_m sowie der momentanen Strangverstärkung S=(i_ges*η_ges)/r ggf. unter Berücksichtigung der momentan wirkenden Triebstrangwiderstandskräfte die aktuelle Antriebskraft F. Neben dem Antriebskraftwert F wird der Eingangsschaltung 2 ein Beschleunigungswert a zugeführt, der von einer Beschleunigungsermittlungseinrichtung 4 bereitgestellt wird. Die Beschleunigungsermittlungseinrichtung 4 kann beispielsweise als Beschleunigungssensor ausgeführt sein, der als Messprinzip den Effekt der Massenträgheit bei der Beschleunigung ausnutzt. Ebenso ist es denkbar, aus mindestens einem Raddrehzahlsensor die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen oder aus mehreren Raddrehzahlsensoren eine mittlere Fahrzeuggeschwindigkeit zu ermitteln. Aus der so gewonnenen Fahrzeuggeschwindigkeit kann durch eine Differenzierung nach der Zeit ein Beschleunigungswert a gebildet werden, der die momentane Fahrzeuglängsbeschleunigung a beschreibt. Die beiden Eingangswerte F und a werden der Eingangsschaltung 2 zugeführt, die diese Werte über ein Datenaustauschsystem 5 an eine Berechnungseinrichtung 6 weiterleitet. Diese Berechnungseinrichtung 6 kann über einen internen Speicher 7 verfügen, in dem Messwerte oder Zwischenergebnisse zwischengespeichert werden können. Weiterhin verfügt die Berechnungseinrichtung 6 über eine interne Uhr, die es ermöglicht, zu vorbestimmten Zeitpunkten t1, t2 Messwerte zu erfassen und zu speichern. Der Antriebskraftwert F₁, der zum Zeitpunkt t1 ermittelt wurde sowie der Beschleunigungswert a₁, der ebenfalls zum Zeitpunkt t1 ermittelt wurde, werden von der Eingangsschaltung 2 über das Datenaustauschsystem 5 an die Berechnungseinrichtung 6 weitergegeben, die diese beiden Werte in dem Speicher 7 ablegt. Nach der Zeitdauer τ = t2-tl, also zum Zeitpunkt t2, wird der Antriebskraftwert F, sowie der Beschleunigungswert a₂ ermittelt und ebenfalls über die Eingansschaltung 2 und das Datenaustauschsystem 5 an die Berechnungseinrichtung 6 weitergegeben. In der Berechnungseinrichtung 6 läuft nun gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Differenzbildung der beiden Antriebskraftwerte sowie der Beschleunigungswerte ab sowie die anschließende Berechnung nach der Gleichung
wobei das Trägheitsmoment des Antriebsstrangs J und der dynamische Reifenradius r im Speicher 7 als konstante Größen abgelegt sind. Die derart ermittelte Fahrzeugmasse m wird nun von der Berechnungseinrichtung 6 mittels des Datenaustauschsystems 5 an die Ausgangsschaltung 8 weitergegeben, die den ermittelten Fahrzeugmassenwert m an weitere Fahrzeugfunktionen ausgibt. Diese weiteren Fahrzeugfunktionen sind beispielsweise Steuerungseinrichtungen für einen adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregler, eine Getriebesteuerung, eine Motorsteuerung oder andere, den Triebstrang des Fahrzeugs beeinflussenden Steuergeräte. Ebenso kann der ermittelte Fahrzeugmassenwert an eine optische und/oder akustische Fahrerinformationseinrichtung ausgegeben werden, die überprüft, ob der ermittelte Fahrzeugmassenwert oberhalb des zulässigen Fahrzeuggesamtgewichtes liegt und ggf. dem Fahrer mittels einer Kontrollleuchte, einer Klartextanzeige, eines Warntones oder einer Sprachausgabe oder einer Kombination hieraus mitteilt, dass das zulässige Gesamtgewicht des Fahrzeugs überschritten ist.
In 2 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren beginnt im oberen Kreis A und fährt in Block 11 fort, dem Einlesen der Antriebskraft F₁ zum Zeitpunkt t1 in den Speicher 7. Danach wird gemäß Block 12 die Beschleunigung a₁ zum Zeitpunkt t1 in den Speicher 7 eingelesen. Im nächsten Schritt 13 wartet das Verfahren die Zeitdauer τ = t2-tl ab und führt gemäß Schritt 14 das Einlesen der Antriebskraft F₂ zum Zeitpunkt t2 durch. Im folgenden Schritt 15 wird die Beschleunigung a₂ zum Zeitpunkt t2 in die Berechnungseinheit 6 durchgeführt, so dass im darauffolgenden Schritt 16 in der Berechnungseinrichtung 6 gemäß der Gleichung
die Fahrzeugmasse m berechnet werden kann. Im folgenden Block 17 wird der ermittelte Fahrzeugmassenwert m an weitere Fahrzeugfunktionen, beispielsweise einen adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregler, eine Getriebesteuerung, eine Motorsteuerung oder weitere, den Triebstang oder das Fahrwerk beeinflussende Steuerungen ausgegeben. Danach gelangt das Ablaufdiagramm gemäß 2 zum unteren Kreis A und springt von dort wieder an den Anfang zurück und läuft wiederholt sich fortlaufend.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Masse (m) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskraft (F) des Kraftfahrzeugs sowie die Beschleunigung (a) des Kraftfahrzeugs zu jeweils zwei Zeitpunkten (t1, t2) bestimmt wird und aus der Antriebskraftdifferenz und der Beschleunigungsdifferenz die Fahrzeugmasse (m) bestimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Zeitpunkte (t1, t2) so gewählt werden, dass die Fahrbahnsteigung, das Fahrzeugleergewicht sowie die Fahrzeugzuladung nahezu konstant bleiben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskraft aus dem momentanen Motorausgangsmoment und der momentanen Getriebeübersetzung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung aus mindestens einer Raddrehzahl ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung mittels eines Beschleunigungssensors ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Massenbestimmung die Differenz aus dem Quotienten der Antriebskraftdifferenz und der Beschleunigungsdifferenz sowie dem Quotienten des Trägheitsmoments des Antriebsstrangs und dem Quadrat des dynamischen Reifenradiusses berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregler ausgegebene Momenten- oder Beschleunigungsanforderung in Abhängigkeit der ermittelten Fahrzeugmasse veränderbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebestufe des Fahrzeugs in Abhängigkeit der ermittelten Fahrzeugmasse wählbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten Fahrzeugmasse eine Abnutzungsberechnung der Bremsbeläge des Fahrzeugs durchführbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrer akustisch und/oder optisch informiert wird, wenn die ermittelte Fahrzeugmasse das zulässige Fahrzeuggesamtgewicht überschreitet.
Vorrichtung zur Bestimmung der Masse (m) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung der Antriebskräfte (3) vorgesehen sind, dass Mittel zur Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigung (4) vorgesehen sind, dass Speichermittel (7) vorgesehen sind, mittels derer Antriebskraftwerte (F) und Beschleunigungswerte (a) speicherbar sind, dass Berechnungsmittel (6) vorgesehen sind, die zur Ermittlung der Fahrzeugmasse (m) aus zwei aufeinanderfolgenden Antriebskraftwerten und zwei aufeinanderfolgenden Beschleunigungswerten vorgesehen sind und dass ein Ausgabemittel (8) vorgesehen ist, mittels dem die ermittelte Fahrzeugmasse (m) an weitere Fahrzeugfunktionen (9,10) ausgebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (10) vorgesehen sind mit denen der Fahrer optisch und/oder akustisch benachrichtigbar ist, wenn die ermittelte Fahrzeugmasse das zulässige Gesamtgewicht überschreitet.