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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Fahrverhaltens
eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Das
bekannte Verfahren, das auch als Verfahren zur Fahrdynamikregelung
bezeichnet wird, sieht vor, daß bei
instabilem Fahrverhalten, z. B. Schleudern bzw. starkes Übersteuern
oder Untersteuern, durch Betätigung
einzelner Radbremsen an einem Kraftfahrzeug ein Zusatzgiermoment
aufgebracht wird, welches für eine
Stabilisierung des Fahrverhaltens sorgen soll.
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Bei
dem bekannten Verfahren wird ein Regelungseingriff erst dann eingeleitet,
wenn sich das Fahrzeug bereits in einem instabilen und damit schwer
beherrschbaren Zustand befindet. In diesem Zustand kann durch Fehlreaktionen
des Fahrers, z. B. durch einen zu großen, einer Schleuderbewegung
zu stark entgegenwirkenden Lenkeinschlag, das instabile Fahrverhalten
noch weiter gesteigert und damit eine Regelung zur Stabilisierung
des Fahrverhaltens erschwert werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung
des Fahrverhaltens eines Fahrzeuges anzugeben, welches auch einem
ungeübten
Fahrer ermöglicht,
das Fahrzeug insbesondere bei Kurvenfahrt sicher zu beherrschen.
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Diese
Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 angegebene Ausgestaltung
der Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch
1 liegt die Überlegung
zugrunde, daß ein
in einer Kurve fahrendes Fahrzeug, welches eine lenkbare Achse aufweist,
an den Rädern
dieser lenkbaren Achse infolge des Lenkeinschlags relativ große Seitenführungskräfte übertragen
muß, während an
einer nicht lenkbaren Achse wesentlich geringere Seitenführungskräfte übertragen
werden. Bei Überschreitung
der reibwertbedingten maximalen Seitenführungskraft würde ein
derartiges Fahrzeug ohne Anwendung der Erfindung ein sich mit zunehmender
Fahrgeschwindigkeit steigerndes untersteuerndes Fahrverhalten aufweisen,
d. h. das Fahrzeug würde über die
Räder der
lenkbaren Achse rutschen. In einem derartigen Zustand wäre allerdings
die an den Rädern
der nicht gelenkten Achse verfügbare
maximale Seitenführungskraft
noch nicht ausgenutzt.
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Durch
Anwendung der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
1 wird bereits bei geringfügig
untersteuerndem Fahrverhalten vor dem Auftreten instabiler Fahrsituationen,
wie z. B. dem zuvor erwähnten
Rutschen über
die Räder
der lenkbaren Achse, eine gleichmäßigere Aufteilung der Seitenführungskräfte auf
die Fahrzeugachsen bewirkt, indem die Radbremse eines kurveninneren
Rads, vorzugsweise des Hinterrads, mit einer der jeweiligen Stärke des
Untersteuerns angepaßten,
relativ geringen Bremskraft beaufschlagt wird. Hierdurch wird ein
zusätzliches
Giermoment um die Hochachse des Fahrzeuges erzeugt, so daß das Fahrzeug
in die Kurve hineingedreht wird und somit die Untersteuertendenz
vermindert wird. Hierdurch wird der Fahrer bereits vor dem Auftreten
eines schwer beherrschbaren bzw. unbeherrschbaren Fahrzustandes
aktiv unterstützt
und das Seitenführungsvermögen des
gesamten Fahrzeuges durch Anpassen der Schräglaufwinkel an der lenkbaren
und einer nicht lenkbaren Achse verbessert.
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Für die Bestimmung
der Bremskraft zur Beaufschlagung der Radbremse wird gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die vorhandene Untersteuertendenz,
d. h. die Abweichung zwischen einer vom Fahrer mittels der Lenkung
vorgegebenen Soll-Gierwinkelgeschwindigkeit und einer mit einem
geeigneten Sensor ermittelten Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit, herangezogen.
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Bei
bekannten Verfahren zur Fahrdynamikregelung erfolgt ein Ansprechen
der Regelung üblicherweise
erst bei einer Untersteuertendenz von etwa –3 Grad/Sekunde, d. h. die
Regelung des Fahrverhaltens beginnt, wenn die Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit
die Soll-Gierwinkelgeschwin digkeit um wenigstens 3 Grad/Sekunde
unterschreitet. In diesem Zustand ist das Fahrzeug je nach fahrerischem
Können
bereits schwer beherrschbar oder unbeherrschbar. In einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung wird die Regelung des Fahrverhaltens
bereits bei einer Untersteuertendenz von etwa –1,5 Grad/Sekunde begonnen,
da sich gezeigt hat, daß eine
derartige Untersteuertendenz auch von einem ungeübten Fahrer noch zu bewältigen ist.
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Weiterhin
wird in der Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 die Abweichung
der Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit von der Soll-Gierwinkelgeschwindigkeit
bestimmt und wenigstens eine Radbremse zur Stabilisierung des Fahrverhaltens
mit einer Bremskraft beaufschlagt, die von der zuvor erwähnten Abweichung
abgeleitet wird. In vorteilhafter Weise wird von dieser Abweichung
für die
Regelung nur ein bestimmter Teil ausgewertet, indem eine auf einen
zulässigen
Wertebereich begrenzte Abweichung bestimmt wird. Der zulässige Wertebereich
wird dabei in Abhängigkeit
von der Querbeschleunigung des Fahrzeuges festgelegt. Da der Fahrer
mittels der Lenkung auch solche Soll-Gierwinkelgeschwindigkeiten
vorgeben kann, die aufgrund der physikalischen Gegebenheiten auch
bei entsprechender Unterstützung
durch Regelungseingriffe nicht vom Fahrzeug auf die Fahrbahn übertragbar
sind, sondern statt dessen zu einem unerwünschten instabilen Fahrverhalten
führen
könnten,
wird durch diese Art der Ausgestaltung der Erfindung der vom Fahrer vorgebbare
Einfluß auf
die Erzeugung eines zusätzlichen
Giermoments auf plausible, in der Praxis umsetzbare Werte begrenzt.
In besonders vorteilhafter Weise kann diese zweite Ausgestaltung
der Erfindung sowohl zur Stabilisierung von untersteuerndem Fahrverhalten
als auch zur Stabilisierung von übersteuerndem
Fahrverhalten angewandt werden.
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Die
Querbeschleunigung des Fahrzeuges kann hierbei mittels eines geeigneten
Sensors gemessen werden oder unter Verwendung anderer, in dem Fahrzeug
ermittelter Größen, wie
z. B. dem Lenkwinkel und den Drehgeschwindigkeiten der einzelnen
Räder in
einer dem Fachmann geläufigen
Weise berechnet werden.
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Durch
die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 ist das
Fahrzeug auch in extremen Fahrsituationen besonders einfach und
sicher zu bedienen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der zulässige Wertebereich
für die
für die
Regelung ausgewertete Abweichung zwischen der Soll-Gierwinkelgeschwindigkeit
und der Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit um einen von einer berechneten
Schwimmwinkelgeschwindigkeit, d. h. der Abweichung der Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit
von einer aufgrund der Querbeschleunigung eigentlich zu erwartenden
Gierwinkelgeschwindigkeit, abhängigen
Wert verschoben. Die Verschiebung erfolgt vorzugsweise in der Art,
daß von
dem Fahrer vorgegebene Lenkbewegungen ”in die richtige Richtung”, also
solche Lenkbewegungen, die durch eine Verringerung des Schwimmwinkels
zu einer Stabilisierung des Fahrverhaltens im Sinne einer Verringerung
der Abweichung zwischen Soll-Gierwinkelgeschwindigkeit und Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit
beitragen, zu einer Vergrößerung der
für diesen
Fall relevanten Grenze des zulässigen
Wertebereichs führen.
Lenkbewegungen ”in
die falsche Richtung” bewirken
dagegen eine Verkleinerung der hierfür relevanten Grenze des zulässigen Wertebereichs.
Durch die Verschiebung des zulässigen
Wertebereichs wird somit in einfacher Weise sowohl die eine Grenze
vergrößert als
auch die andere Grenze verkleinert. Mit anderen Worten, es kann
z. B. bei einer Lenkbewegung ”in
die richtige Richtung” infolge
der Verschiebung des zulässigen
Wertebereichs die Radbremse des kurveninneren Hinterrades mit einer
größeren Bremskraft
beaufschlagt werden als bei falscher oder gar keiner Lenkbewegung.
Hierdurch wird dem Fahrer zusätzlich
ein sicheres Fahrgefühl
vermittelt.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme
einer Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigt
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Flußdiagramm.
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Es
wird im folgenden angenommen, daß das nachfolgend beschriebene
Verfahren in einem Fahrzeug mit folgender Ausstattung verwendet
wird:
- – Es
ist wenigstens ein Gierwinkelgeschwindigkeitssensor zur Messung
der Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit. (ψ .ist)
des Fahrzeuges vorhanden. Als Gierwinkelgeschwindigkeit wird hierbei
die Drehung des Fahrzeuges um seine Hochachse pro Zeiteinheit verstanden.
- – Weiterhin
ist ein Lenkwinkel-Sensor zur Messung des von dem Fahrer eingestellten
Lenkwinkels (δ)
vorhanden. Als Lenkwinkel wird hierbei nicht der Lenkrad-Drehwinkel verstanden,
sondern die Winkelabweichung lenkbarer Räder von einer Parallelen zur
Fahrzeuglängsachse.
- – Außerdem ist
ein Geschwindigkeitssensor zur Ermittlung der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
(v1), d. h. der Geschwindigkeit in Fahrtrichtung,
vorhanden. Es ist auch möglich,
daß die
Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (v1) rechnerisch aus den Signalen von Raddrehgeschwindigkeitssensoren,
wie sie z. B. für
Antiblockiersysteme verwendet werden, als sogenannte Referenzgeschwindigkeit
bestimmt wird. Ein entsprechendes Verfahren ist z. B. in der DE 40 16 668 C2 beschrieben.
- – Des
weiteren ist ein Querbeschleunigungssensor zur Ermittlung der Querbeschleunigung
(aquer) des Fahrzeuges vorgesehen.
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Außerdem weist
das Fahrzeug eine Bremsanlage mit druckmittelbetätigbaren Radbremsen an jedem Rad
auf, welche bei Beaufschlagung mit einem Bremsdruck (p) eine Brems kraft
auf das ihnen zugeordnete Rad ausüben. Statt durch Druckmittel
können
die Radbremsen auch durch ein elektrisches Betätigungsorgan, z. B. einen Elektromotor,
betätigbar
sein.
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Zur
Verarbeitung der Sensorsignale und zur Erzeugung von Ansteuersignalen
für die
Radbremsen ist außerdem
ein elektronisches Steuergerät
vorgesehen, welches das erfindungsgemäße Verfahren als Teil verschiedener,
als Steuerprogramm ausgebildeter Regelalgorithmen zur Vermeidung
unerwünschter
Fahrzustände
wie Untersteuern, Übersteuern
bzw. Schleudern, ausführt.
Ein mit derartigen Komponenten ausgestattetes Fahrzeug wird auch
als fahrstabilitätsgeregeltes
Fahrzeug bezeichnet.
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Das
Verfahren gemäß 1 wird
in dem elektronischen Steuergerät
als Teil eines Steuerprogramms zyklisch ausgeführt. Es beginnt mit dem Block
(1). In einem darauf folgenden Datentransferblock (2)
werden die von den zuvor beschriebenen Sensoren ermittelten Größen Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit
(ψ .ist), Lenkwinkel (δ), Querbeschleunigung (aquer) und Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (v1) eingelesen.
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Daraufhin
werden in einem Zuweisungsblock (
3) die Soll-Gierwinkelgeschwindigkeit
(ψ .
soll) sowie die Schwimmwinkelgeschwindigkeit
(β .) aus den zuvor eingelesenen Größen (δ, a
quer, v
1) und weiteren
fahrzeugspezifischen Größen gemäß folgenden
Formeln berechnet:
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Hierbei
sind L und EG von der Fahrzeuggeometrie abhängige Größen, wobei L den Radstand und
EG den Eigenlenkgradienten angibt. Der Eigenlenkgradient ist für die hier
betrachteten Fahrsituationen eine Fahrzeugkonstante, die für ein zweiachsiges
Fahrzeug gemäß folgen
der Beziehung bestimmt werden kann:
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Hierbei
bezeichnet mFzg die Fahrzeugmasse, Lh den Abstand der Hinterachse vom Fahrzeugschwerpunkt,
Lv den Abstand der Vorderachse vom Fahrzeugschwerpunkt,
Cv die Schräglaufsteifigkeit der Vorderachse
und Ch die Schräglaufsteifigkeit der Hinterachse.
Diese Größen sind
fahrzeugspezifisch durch Versuche zu ermitteln. Bezüglich der
näheren
Definition der zuvor genannten Größen sei auf die Norm DIN 77000
vom Januar 1994 verwiesen.
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In
einem Zuweisungsblock (4) wird die Abweichung zwischen
der Ist-Gierwinkelgeschwindigkeit (ψ .ist) und
der Soll-Gierwinkelgeschwindigkeit (ψ .soll)
durch Differenz bildung als Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit (Δψ .) bestimmt: Δψ . := ψ .ist – ψ .soll [4]
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Unter
Verwendung der so bestimmten Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit
(Δψ .) wird
in einer im folgenden noch näher
beschriebenen Weise die Stärke
des Regelungseingriffs zur Verminderung des untersteuernden Fahrverhaltens
festgelegt. Da, wie zuvor bereits erwähnt, aufgrund physikalischer
Gegebenheiten des Fahrzeuges und der Fahrbahn nur ein bestimmter
Maximalbetrag der Gierwinkelgeschwindigkeit bei stabilem Fahrverhalten
realisierbar ist, ist es demzufolge erwünscht, daß der aufgrund der Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit
(Δψ .) festgelegte
Regelungseingriff nicht zu einer Überschreitung dieses Maximalbetrages
der Gierwinkelgeschwindigkeit führt,
d. h. es dürfen
nicht beliebig große
Betragswerte der Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit (Δψ .) für den Regelungseingriff
herangezogen werden. Aus diesem Grund wird ein zulässiger Wertebereich
(–ψ .max1, ψ .max1) festgelegt,
deren oberer und unterer Grenzwert betragsmäßig gleich sind.
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In
einem Zuweisungsblock (
5) wird der betragsmäßige Grenzwert
(ψ .
max1) gemäß folgender Formel berechnet:
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Hierbei
stellen die Konstanten (k
1, k
2)
fahrzeugspezifische Größen dar,
die jeweils durch Versuche zu ermitteln sind. Geeignete Werte sind
beispielsweise k
1 = 5 Grad/Sekunde und k
2 = 0,3 Grad·Sekunde/Meter. Die Größe
stellt
einen durch zeitliche Mittelwertbildung gewonnenen mittleren Wert
der Querbeschleunigung (a
quer) dar.
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Der
zulässige
Wertebereich (–ψ .max1, ψ .max1) kann,
wie bereits erwähnt,
in Abhängigkeit
von der Schwimmwinkelgeschwindigkeit (β .) verschoben werden. Hierfür wird in
einem darauffolgenden Zuweisungsblock (6) ein Verschiebungswert
(ψ .max2) gemäß folgender Formel berechnet: ψ .max2 := k3·β . [6]
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Die
Konstante (k3) ist fahrzeugspezifisch festzulegen,
z. B. durch Versuche. Ein geeigneter Wert ist k3 =
0,25.
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Die
resultierenden Grenzen des zulässigen
Wertebereichs ergeben sich dann durch Addition des aufgrund der
Querbeschleunigung bestimmten Anteils (–ψ .max1, ψ .max1) und des Verschiebungsanteils (ψ .max2) zu einem oberen Grenzwert (ψ .max1 + ψ .max2) und
einem unteren Grenzwert (–ψ .max1 + ψ .max2).
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In
einem Verzweigungsblock (7) wird sodann das Vorzeichen
der Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit (Δψ .) geprüft. Bei positivem Vorzeichen,
d. h. wenn die Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit (Δψ .) größer oder gleich
Null ist, werden die darauffolgenden Blöcke (8, 9 bzw. 12)
ausgeführt.
Bei negativem Vorzeichen werden dagegen die Blöcke (10, 11 bzw. 12)
ausgeführt.
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In
dem Verzweigungsblock (8) wird geprüft, ob die Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit
(Δψ .) den
zulässigen
Wertebereich, dessen oberer Grenzwert durch den Ausdruck (ψ .max1 + ψ .max2) festgelegt
wird, überschreitet.
Wenn dies der Fall ist, so wird in einem Zuweisungsblock (9)
eine für
die Regelung auszuwertende Abweichung (Δψ .R) auf
diesen oberen Grenzwert (ψ .max1 + ψ .max2) gesetzt. Falls der obere Grenzwert
(ψ .max1 + ψ .max2) nicht überschritten
wird, wird in einem Zuweisungsblock (12) der ursprüngliche
Wert der Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit (Δψ .) als für die Regelung auszuwertende
Abweichung (Δψ .R) übernommen.
Dann wird zu dem Verzweigungsblock (13) verzweigt.
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Bei
negativem Vorzeichen der Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit (Δψ .) wird in
analoger Weise zu dem zuvor Beschriebenen in dem Verzweigungsblock
(10) zunächst
geprüft,
ob die Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit (Δψ .) den unteren Grenzwert des
zulässigen
Wertebereichs, der durch den Ausdruck (–ψ .max1 + ψ .max2) festgelegt wird, unterschreitet. Bei
einer Unterschreitung wird in einem Zuweisungsblock (11)
die für
die Regelung auszuwertende Abweichung (Δψ .R) auf
diesen unteren Grenzwert (–ψ .max1 + ψ .max2) gesetzt.
Anderenfalls wird ebenfalls zu dem Zuweisungsblock (12)
verzweigt, in dem der ursprüngliche
Wert der Differenz-Gierwinkelgeschwindigkeit (Δψ .) als für die Regelung auszuwertende
Abweichung (Δψ .R) übernommen
wird. Dann wird zu dem Verzweigungsblock (13) verzweigt.
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In
dem Verzweigungsblock (13) wird dann geprüft, ob eine
für den
Beginn eines Regeleingriffs ausreichende Untersteuertendenz vorliegt,
nämlich
ob die für
die Regelung auszuwertende Abweichung (Δψ .R) betragsmäßig einen
Wert von 1,5 Grad/Sekunde überschreitet.
Wenn dies nicht der Fall ist, so endet das Verfahren mit dem Block
(16).
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Anderenfalls
wird zu dem Zuweisungsblock (14) verzweigt, in dem ein
für die
Aufbringung eines zusätzlichen,
den Fahrer bei der Kurvenfahrt unterstützenden Giermoments entsprechender
Bremsdruck (p) aus der für
die Regelung auszuwertenden Abweichung (Δψ .R) bestimmt
wird. Die Bestimmung erfolgt nach folgender Formel: p := A – B·Δψ .R [6]
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Die
Größen (A,
B) stellen fahrzeug- bzw. bremsanlagenspezifische Parameter dar,
die für
ein Fahrzeug bzw. eine Bremsanlage durch Versuche zu ermitteln sind.
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In
einem Datentransferblock (15) wird der zuvor berechnete
Bremsdruck (p) an einen Aktuator zur Betätigung der Radbremse ausgegeben.
Hierdurch wird die Radbremse des kurveninneren Hinterrads mit dem Bremsdruck
(p) beaufschlagt.
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Das
Verfahren endet mit dem Block (16).
