DE4338587C2

DE4338587C2 - Verfahren zum Einschätzen des Greifverhaltens einer Fahrbahnoberfläche gegenüber den Rädern eines darüber fahrenden Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE4338587C2
Application number: DE4338587A
Authority: DE
Inventors: Anthony T Ander; Davorin Hrovat; Craig J Simonds; Lee-Fei Chen
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1992-11-12
Filing date: 1993-11-11
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: US5563792A; DE4338587A1; JPH06199160A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einschätzen des Greifverhaltens einer Fahrbahnoberfläche gegenüber den Rädern eines darüber fahrenden Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Jedem Fahrer eines Kraftfahrzeuges ist es geläufig, daß beim Fahren über eisglatte Straßen, auf Schnee oder auch auf losem Kies häufig die Schwierigkeit besteht, ein Durch drehen des angetriebenen Radpaares zu verhindern. Das Durchdrehen der Räder ist dabei auf den relativ niedrigen Reibungskoeffizienten zurückzuführen, welcher bei solchen für das Fahren widrigen Umständen das Greifverhalten der Räder verringert. Daher kann bereits ein minimales Drehmo ment, das von der Antriebsmaschine an das angetriebene Räderpaar angeliefert wird, ein Durchdrehen der Räder bewirken. Wenn dieses Durchdrehen übermäßig groß wird, dann wird das Lenken des Fahrzeuges entsprechend schwieriger, wenn nicht sogar unmöglich.

Es ist bis heute keine Technik bekannt, wie das Greifver halten einer Fahrbahnoberfläche unter einem darüber fahren den Fahrzeug hinreichend präzise eingeschätzt werden kann. Ein Einschätzen des Greifverhaltens ist deshalb so schwierig, weil sich der Zustand der Fahrbahnoberfläche vorrangig in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit rasch verändern kann. Das Greifverhalten muß deshalb auch für ein sicheres Lenken des Fahrzeuges ebenso rasch eingeschätzt werden, wobei es wichtig ist, daß die Schätzwerte in kurzen Zeitab ständen aktualisiert werden, um genaue Werte auf einer Realzeitbasis zu erhalten.

Aus der DE-OS 26 24 041 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher eine Berechnungsformel für den während einer Fahrt momentan zu erwartenden Brems weg eines Fahrzeuges unter Einbeziehung des Reibungskoeffi zienten angegeben wird, welcher das Greifverhalten der Räder gegenüber der Fahrbahnoberfläche bestimmt. Die Berück sichtigung des Reibungskoeffizienten setzt dabei für die angegebene Formel eine Ermittlung eines an den angetriebenen Rädern abgenommenen Drehmomentsignals voraus sowie darüber hinaus eine Kenntnis der Beschleunigung und der Fahrge schwindigkeit des Fahrzeuges neben weiteren, von dem Fahr verhalten des Fahrzeuges abhängigen und aus Bremsversuchen ermittelten Konstanten, wobei für einen Radschlupf ein be stimmtes Verhältnis zu der Beschleunigung und zu der Fahr geschwindigkeit berücksichtigt wird.

Aus der JP 63-25 561 A ist es bekannt, eine von der Fahrge schwindigkeit unabhängige Ermittlung des Radschlupfes in einer Beurteilung an dem Lenkungseinschlag des Lenkrades vorzunehmen, wobei dafür ein Bereich zwischen zwei Schwell werten berücksichtigt wird zusätzlich zu einer Berücksichti gung des Drehzahlverhältnisses der linken und rechten Halb wellen der gelenkten Vorderräder ebenfalls in dem Bereich zwischen zwei weiteren Schwellwerten. In der DE 33 23 808 A1 findet sich für ein Verfahren zum Messen der Fahrgeschwin digkeit zweiachsiger, allradangetriebener Zugmaschinen der Hinweis, daß dafür der Schlupf mit der Angabe eines vorbestimmten Verhältnisses zwischen den Drehzahlen der kurzzeitig antriebslosen Vorderräder und der angetriebenen Hinterräder in ein Verhältnis gesetzt wird zu einem dort so bezeichneten "Triebkraftbeiwert" für die Hinterachse, mit dem das Verhältnis einer horizontalen Zugkraft zu einer Hinterachslast als Funktion eines statischen und eines dynamischen Anteils berücksichtigt ist.

In einer Veröffentlichung unter dem Titel "Development of New Control Methods to Improve Response of Throttle Type Traction Control System" von Hiroshi Igata et al, Nachdruck aus "Transmission and Driveline Symposium: Components, Gears and CAE (SP-905)" und mit der Angabe "International Congress & Exposition, Detroit, Michigan, 24.-28. Februar 1992", ausgegeben als SAE Technical Paper Series No. 920608, wird allein auf den Oberflächen-Adhäsionskoeffizienten zum Erreichen einer verbesserten Steuerung des Durchdrehens der Räder hingewiesen. Auf Seite 4 ist angegeben, daß der Adhä sionskoeffizient wenigstens gleich groß ist wie die Beschleu nigung des Fahrzeuges, gemessen mit einer Rückbeziehung auf die Schwerebeschleunigung. Weiter ist auf Seite 5 angegeben, daß der berechnete Adhäsionskoeffizient nicht auf einen niedrigeren Wert revidiert werden sollte, es sein denn, daß der Radschlupf eine vorbestimmte Höhe übersteigt.

Eine Erprobung hat jedoch gezeigt, daß ein in einer Realzeit periodisch aktualisierter Schätzwert für das Greifverhalten einer Fahrbahnoberfläche Vorteile gegenüber dieser als be kannt vorausgesetzten Annahme ergibt, daß der Adhäsionsko effizient wenigstens gleich der auf die Schwerebeschleuni gung rückbezogenen Beschleunigung des Fahrzeuges ist. Es hat sich auch gezeigt, daß eine präzise Realzeitschätzung des Greifverhaltens einer Fahrbahnoberfläche eine bessere Steuerung des Durchdrehens der Räder ergibt.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, bei einem Ver fahren der eingangs genannten Art einen möglichst präzisen und möglichst ständig aktualisierten Überblick über das Greifverhalten der Fahrbahnoberfläche zu erhalten, wobei es für den Lenker des Fahrzeuges vordergründig von Interesse ist, über die Anzeige an einem Display zu erfahren, ob die an dem Reibungskoeffizienten beurteilten Straßenverhältnisse ein Fahren auf Eis oder Schnee bzw. auch lediglich auf nasser oder trockener Straße vermuten lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen gemäß dem Kenn zeichen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren Vor teile leiten sich vorrangig ab aus der Ermittlung eines Schlupfbegrenzungssignals in einer Abhängigkeit von der Erfassung eines Radwinkelsignals, mit welchem der Winkel zwischen dem Paar der lenkbaren Räder und der Fahrzeuglängs achse angegeben wird. Der Schätzwert für das Greifverhalten einer Fahrbahnoberfläche gegenüber den Rädern eines darüber fahrenden Kraftfahrzeuges kann nämlich so am einfachsten erfaßt und in einer Realzeit auch ständig aktualisiert werden, wobei sich für dieses ständige Aktualisieren die periodische Erzeugung eines Zustandssignals als besonders zweckmäßig erweist, welches durch ein Teilen der momentanen Werte des von der Antriebsmaschine an die angetriebenen Räder gelieferten Drehmomentsignals und eines Belastungs signals erhalten wird, welches das auf die angetriebenen Räder einwirkende Gewicht angibt.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemaansicht eines Fahrzeuggestells unter Einbeziehung eines Steuergerätes, mit welchem das Verfahren praktizierbar ist, und

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur näheren Erläuterung der Arbeits weise des Steuergerätes bei der Schätzung des Reibungskoeffizienten einer Fahrbahnoberfläche unter einem darüber fahrenden Fahrzeug.

Gemäß der Schemadarstellung in Fig. 1 ist die Erfindung bevorzugt an einem Kraftfahrzeug 10 mit Vorderradantrieb anwendbar, entlang dessen Längsachse 12 zwei angetriebene Vorderräder 14, 16 und zwei antriebslose Hinterräder 18, 20 voneinander beabstandet angeordnet sind. Für die Vorderräder 14, 16 ist eine Lenkgruppe mit einem Lenkrad 28 und einer Lenksäule 30 vorgesehen, die mit der Vorderachse 34 über ein Lenkgestänge 32 verbunden ist. Die Vorderachse 34 ist mit Halbachsen 36 und 37 ausgebildet, über welche der Antrieb an die Räder 14 und 16 durch ein herkömmliches Differentialgetriebe 40 geliefert wird.

Ein Mikroprozessor ist über ein Steuergerät 50 an Sensoren 63 bis 66 angeschlossen, mit denen die Winkelgeschwindigkeit der Räder 14, 16, 18 und 20 erfaßt wird. Ein weiterer Ein gang des Steuergerätes 50 ist mit einem Meßwertwandler 70 verbunden, welcher an der Lenksäule 30 angeordnet ist und ein Signal proportional zu dem Lenkwinkel für die Vorder räder 14, 16 erfaßt, von denen eines noch mit einem Dreh momentsensor 74 versehen ist, der ein Signal proportional zu dem angelieferten Drehmoment erzeugt.

Das Steuergerät 50 ist über eine Ausgangsleitung 78 an ein Display 80 zur Anzeige eines Reibungskoeffizienten ange schlossen. Das Display 80 kann für die Abbildung einer Strichanzeige ausgebildet sein, bspw. in der Form, daß zehn Striche innerhalb eines Bereichs von 0.1 bis 1.0 Einzel stufen von 0.1 ergeben und insgesamt vier Leuchten die Straßenzustände "Eis", "Schnee", "Naß" und "Trocken" an geben. Eine Aktualisierung der Anzeige bzw. des Displays 80 findet etwa alle 20 Millisekunden statt. Bei jedem Aktua lisierungszyklus werden von dem Steuergerät 50 ein Rück stellsignal an eine Rückstelleitung gesendet sowie serielle Impulse von 0 bis 10 an eine Datenleitung, die beide an das Display 80 angeschlossen sind. Es können daher die ver schiedenen Leuchten für die verschiedenen Straßenzustände durch die eigene Logik des Displays aktiviert werden, so daß der Reibungskoeffizient bspw. für "Eis" mit einem Wert von 0-0.2, für "Schnee" mit einem Wert von 0.3-0.5, für "Naß" mit einem Wert von 0.6-0.7 und für "Trocken" mit einem Wert von 0.8-1.0 berücksichtigt wird.

Anstelle des Drehmomentsensors 74 können für eine Schätzung des an die angetriebenen Räder 14 und 16 gelieferten Dreh moments auch eine Vielzahl anderer bekannter Mikroprozes sor-Techniken benutzt werden. Beschreibungen dafür finden sich in den US-PS'en 3 921 446, 4 680 959, 4 758 967 und 4 985 838.

Das Steuergerät 50 führt die einzelnen Verfahrensstufen aus, die durch das Flußdiagramm der Fig. 2 verdeutlicht sind. In der Stufe 100 wird der Wert eines Drehmomentsignals, welches wenigstens einen Stützwert des an die angetriebenen Räder 14 und 16 gelieferten Drehmoments angibt, in einem Speicher des Steuergerätes 50 gespeichert. Das Drehmomentsignal kann entweder durch den Drehmomentsensor 74 oder durch ein Pro gramm wie vorerwähnt erzeugt werden. Weiterhin wird in dieser Stufe ein Lenkwinkelsignal für den Lenkwinkel des Lenkrades 28 durch den Lenkwinkel-Meßwertwandler 70 erzeugt und in einem dazugehörigen Speicherplatz des Speichers des Steuergerätes 50 gespeichert. Die Geschwindigkeitssignale für die Winkelgeschwindigkeit der Räder, die von den Senso ren 63 bis 66 erhalten werden, werden ebenfalls in diesem Speicher gespeichert. Daneben wird in dem Speicher noch der Wert für ein Belastungssignal gespeichert, welches einen Schätzwert der Kraft angibt, die durch das dynamische Ge wicht des Fahrzeuges 10 während des normalen Arbeitsmodus auf die angetriebenen Räder 14 und 16 ausgeübt wird.

Das Steuergerät 50 erzeugt ein erstes Geschwindigkeitssignal für die Winkelgeschwindigkeit der angetriebenen Räder durch eine Mittelwertbildung der Geschwindigkeitssignale, die von den Sensoren 63 und 64 erhalten werden. Weiterhin wird ein zweites Geschwindigkeitssignal für die Winkelgeschwindigkeit der antriebslosen Räder durch eine Mittelwertbildung der Geschwindigkeitssignale erzeugt, die von den Sensoren 65 und 66 erhalten werden.

In der Stufe 110 wird eine aktuelle Einschätzung des Rei bungskoeffizienten der Fahrbahnoberfläche vorgenommen. Das Steuergerät 50 teilt dafür den Wert des Drehmomentsignals durch den Wert des Belastungssignals. Das Drehmomentsignal und das Belastungssignal werden von den zugehörigen Werten erzeugt, die in dem Speicher gespeichert sind. Der Wert Mu_temp des aus der Teilung resultierenden Signals wird in dem Speicher als ein augenblicklicher, jedoch vorüber gehender Schätzwert des Reibungsfaktors der Fahrbahnober fläche gespeichert.

In der Stufe 120 wird ein anfänglicher Wert Mu₀ des Rei bungskoeffizienten durch eine Einstellung dieses Wertes auf etwa 0.8-0.9 erhalten. Der Bereich des Reibungskoeffizien ten beläuft sich bevorzugt auf 0.0-1.0. Berechnet wird ein Schlupfbegrenzungssignal S_l für einen vorbestimmten Schlupfwert zwischen den angetriebenen Rädern und den an triebslosen Rädern aus der Summe einer Konstanten und dem Wert des von dem Meßwertwandler 70 erhaltenen Lenkwinkel signals, multipliziert mit einem Faktor, der die Umwandlung des Lenkwinkelsignals in ein Radwinkelsignal einschließt.

Der Radwinkel gibt den Winkel zwischen dem lenkbaren Rad paar 14, 16 und der Längsachse 12 an und ist in Fig. 1 mit WA bezeichnet.

In der Stufe 120 der Fig. 2 wird ein Schlupfsignal Slip durch Berechnung des absoluten Wertes der Differenz zwischen dem ersten Geschwindigkeitssignal und dem zweiten Geschwin digkeitssignal erzeugt. Das Schlupfsignal ist ein Maß für die Größe des Schlupfes zwischen den angetriebenen Rädern und den antriebslosen Rädern. Durch die Berücksichtigung des Lenkwinkels in der Stufe 120 wird die Genauigkeit des Schlupfbegrenzungswertes erhöht. Der Schlupfbegrenzungswert sollte sich ändern, wenn der Fahrer des Fahrzeuges das Lenkrad dreht. Die durch die angetriebenen Räder 14 und 16 erzeugte Traktion wird verringert, wenn das Fahrzeug für eine Kurvenfahrt gelenkt wird. Während der Kurvenfahrt wird die Kraft der Räder gegen die Fahrbahnoberfläche in eine Zugkraftkomponente und eine Kurvenkraftkomponente aufgeteilt. Der richtige Wert des Schlupfbegrenzungssignals erhöht sich bei der Kurvenfahrt und wird in der Stufe 120 berechnet.

In der Stufe 130 erzeugt das Steuergerät 50 ein erstes Entscheidungssignal, wenn das Schlupfsignal Slip größer ist als der Wert des Schlupfbegrenzungssignals. Wenn der Wert des Schlupfsignals nicht größer ist als der Wert des Schlupf begrenzungssignals, dann erzeugt das Steuergerät 50 ein zweites Entscheidungssignal.

In Abhängigkeit von dem ersten Entscheidungssignal wird in der Stufe 140 der für den Reibungskoeffizienten gespeicher te Momentanwert Mu_temp in den Speicherplatz Mu_est übernommen, bei welchem es sich um einen Schätzwert des Reibungskoeffi zienten der Fahrbahnoberfläche handelt. Die Schätzung des Reibungskoeffizienten ist in der Stufe 110 nur dann genau, wenn das Schlupfsignal Slip einen vorbestimmten Wertebereich in Bezug auf das Schlupfbegrenzungssignal aufweist. Wenn das Schlupfsignal einen Wert größer als das Schlupfbegren zungssignal hat, dann ist die Schätzung des momentanen Reibungskoeffizienten ausreichend genau, um die vorhergehend gespeicherte Schätzung (Mu_last-est) zu ersetzen.

In Abhängigkeit von dem zweiten Entscheidungssignal wird durch das Steuergerät 50 ein drittes Entscheidungssignal erzeugt, wenn bei der Stufe 150 ermittelt wird, daß der gespeicherte Schätzwert des momentanen Reibungskoeffizienten größer ist als dessen vorhergehende Schätzung. Wenn der momentane Schätzwert Mu_temp des Reibungskoeffizienten nicht größer ist als der vorhergehende Schätzwert (Mu_last-est), dann erzeugt das Steuergerät 50 ein viertes Entscheidungs signal.

In Abhängigkeit von den zweiten und dritten Entscheidungs signalen wird in der Stufe 160 der gespeicherte Wert Mu_est mit dem in der Stufe 110 berechneten momentanen Schätzwert des Reibungskoeffizienten gleichgesetzt. Bei der Erprobung hat sich gezeigt, daß wenn die momentane Schätzung des Reibungskoeffizienten eine Erhöhung erfährt, sich dann auch der aktuelle Wert des Reibungskoeffizienten erhöht, selbst wenn zwischen den angetriebenen und den antriebslosen Rädern kein genügender Radschlupf vorhanden ist, um den Wert des Schlupfsignals gegenüber dem Wert des Schlupfbegrenzungs signals zu vergrößern. Diese Bedingungen können bspw. dann auftreten, wenn sich das Fahrzeug von einer Fahrbahnober fläche mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten zu einer solchen mit einem höheren Reibungskoeffizienten bewegt. Es erscheint daher logisch, daß der aktuelle Wert des Reibungs koeffizienten eine Erhöhung erfährt. Als ein Ergebnis davon wird der Reibungskoeffizient, der größer als der zuvor ge speicherte Wert ist, in der Stufe 160 für die neue Schätzung des aktuellen Reibungskoeffizienten benutzt.

In Abhängigkeit von den zweiten und vierten Entscheidungs signalen wird in der Stufe 170 der vorhergehende Schätzwert (Mu_last-est) des Reibungskoeffizienten fortgesetzt gespei chert und somit nicht der in der Stufe 110 berechnete Schätzwert. Bei einer Erprobung des Systems hat sich gezeigt, daß wenn der Schlupf der angetriebenen Räder in Bezug auf denjenigen der antriebslosen Räder niedriger wird als die in der Stufe 130 berücksichtigten Kriterien und der Schätz wert des momentanen Reibungskoeffizienten nicht größer wird als der vorhergehende Schätzwert, dann der vorhergehende Schätzwert die beste Schätzung des aktuellen Wertes des Reibungskoeffizienten der Fahrbahnoberfläche ist. Für die Stufe 170 ist daher auch gezeigt, daß hier der früher ge speicherte Schätzwert (Mu_last-est) fortgesetzt gespeichert wird.

Das Steuergerät 50 ist für eine rasche Ausführung aller Stufen programmiert, die in der Fig. 2 gezeigt sind, wobei die Folge dieser Stufen bevorzugt alle 20 Millisekunden wiederholt wird. Dadurch ergibt sich eine rasche Berechnung für eine genaue Schätzung des Reibungskoeffizienten der Fahrbahnoberfläche in einer Realzeit.

Claims

1. Verfahren zum Einschätzen des Greifverhaltens einer Fahrbahnoberfläche gegenüber den Rädern eines darüber fahrenden Kraftfahrzeuges, das ein angetriebenes Radpaar und ein antriebsloses Radpaar aufweist, von denen das eine Paar mittels eines Lenkrades lenkbar ist, wobei

a) erste und zweite Geschwindigkeitssignale erzeugt wer den, welche die Winkelgeschwindigkeiten der angetrie benen und der antriebslosen Räder angeben;
b) ein Drehmomentsignal erzeugt wird, welches das an die angetriebenen Räder gelieferte Drehmomentsignal an gibt;
c) ein Schlupfsignal aus der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Geschwindigkeitssignal erzeugt wird; und
d) Zustandssignale, die ein Fahrverhalten des Fahrzeuges angeben und das Greifverhalten der Fahrbahnoberfläche einschätzen lassen, periodisch erzeugt, gespeichert und an einem Display zur Anzeige gebracht werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
e) jedes Zustandssignal (Mu_temp) durch ein Teilen der momentanen Werte des an die angetriebenen Räder ge lieferten Drehmomentsignals und eines Belastungssig nals erzeugt wird, welches das auf die angetriebenen Räder einwirkende Gewicht angibt;
f) ein den Winkel (WA) zwischen dem Paar der lenkbaren Räder und der Fahrzeuglängsachse (12) angebendes Radwinkelsignal aus einem den Lenkwinkel des Lenkrades angebenden und mit einem Umwandlungsfaktor multipli zierten Lenkwinkelsignal erzeugt wird;
g) ein Schlupfbegrenzungssignal (S₁) erzeugt wird, wel ches in Abhängigkeit von dem Radwinkelsignal einen vorbestimmten Wert des Schlupfes zwischen den ange triebenen und den antriebslosen Räderpaaren angibt;
h) das Zustandssignal (Mu_temp) in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Beziehung zwischen den Werten des Schlupfsignals (Slip) und des Schlupfbegrenzungssig nals (S₁) für eine Realzeit-Einschätzung des Greif verhaltens der Fahrbahnoberfläche gespeichert wird;
i) bei der Anzeige des Zustandssignals (Mu_temp) an dem Display die Einschätzung des Greifverhaltens der Fahrbahnoberfläche durch unterschiedliche Wertbereiche eines Reibungskoeffizienten der Fahrbahnoberfläche angegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für das Radwinkelsignal berücksichtigte Umwandlungs faktor verschiedene Schlupferfordernisse während der Lenkung des Fahrzeuges angibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des Schlupfbegrenzungssignals (S₁) ein Wert des Radwinkelsignals zu einer Konstanten hinzu gefügt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein erstes Entscheidungssignal erzeugt wird, wenn das Schlupfsignal (Slip) größer ist als das Schlupfbegrenzungssignal (S₁), wobei in Abhängigkeit von diesem ersten Entscheidungssignal das jeweils aktuelle Zustandssignal (Mu_temp) gespeichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Entscheidungssignal erzeugt wird, wenn das Schlupfsignal (Slip) kleiner ist als das Schlupfbegren zungssignal (S₁), sowie ein drittes oder ein viertes Entscheidungssignal, wenn das aktuelle Zustandssignal (Mu_temp) größer oder kleiner ist als das zuvor gespei cherte Zustandssignal (Mu_last-est), wobei das aktuelle Zustandssignal (Mu_temp) in Abhängigkeit von den zweiten und dritten Entscheidungssignalen gespeichert und ein zuvor gespeichertes Zustandssignal (Mu_last-est) in Abhängigkeit von den zweiten und vierten Entscheidungs signalen beibehalten wird.