DE3606797C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung, insbesondere zur Begrenzung, der Fahrgeschwindigkeit eines Straßenfahrzeuges - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung, insbesondere zur Begrenzung, der Fahrgeschwindigkeit eines Straßenfahrzeuges

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung, insbesondere zur Begrenzung, der Fahrge­ schwindigkeit eines Straßenfahrzeuges.
Die DE-OS 28 35 942 beschreibt eine Einrichtung zur Regelung der Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeuges. Hierzu wird ein Istwert für die Fahrgeschwindigkeit mit einem entsprechenden Sollwert verglichen. Durch die Differenz der beiden Werte wird die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges geregelt. Zu diesem Zweck sind Eingriffe in die Bremsanlage und in den Motor, insbesondere die Drosselklappe, vorgesehen. Damit die Regelung der Fahrgeschwindigkeit an eventuelle Kurvenfahrten angepaßt wird, wird die Querbeschleunigung ermittelt, und eine Begrenzung des Sollwertes in Abhängigkeit der Querbe­ schleunigung durchgeführt.
Die DE 35 18 221 A1 beschreibt ein ausbrechempfindliches Bremssteuerungssystem für Kraftfahrzeuge. Hierzu wird eine Ausbrechgröße, die die am Fahrzeug in Querrichtung angrei­ fenden Kräfte, insbesondere Zentrifugalkräfte, repräsen­ tiert, ermittelt. In Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindig­ keit, des Lenkwinkels und der Ausbrechgröße wird ein Soll­ wert für die Ausbrechgröße ermittelt. In Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Ausbrechgröße und dem Sollwert wer­ den Bremseneingriffe an den Vorderrädern bzw. an den Hinter­ rädern durchgeführt, durch die dem Fahrzeug gute Steuerungs­ eigenschaften verliehen werden.
Die DE-OS 19 02 944 beschreibt eine Einrichtung an Fahrzeu­ gen zum Verhindern des Schleuderns. Hierbei handelt es sich um eine Querbeschleunigungssteuerung. Wird ein vorbestimmter Grenzwert der Querbeschleunigung erreicht, so werden zur Spurhaltung des Fahrzeuges beispielsweise die Bremsen betä­ tigt und das Leistungsregelglied der Maschine auf geringere Fahrleistung zurückgenommen. Darüber hinaus ist DE-OS 19 02 ­ 944 zu entnehmen, daß im stabilen Bereich eine Vergrößerung des Schwimmwinkels zu einer Vergrößerung der Seitenführungs­ kräfte führt. Nach Überschreiten dieser Grenze befindet sich das Fahrzeug im instabilen Bereich. Um die Spurhaltung des Fahrzeuges im stabilen Bereich zu sichern, ist beispielswei­ se ein Mittel zum Verhindern des vorzeitigen Blockierens von Rädern in einer Bremsanlage oder ein Leistungsregelorgan der Brennkraftmaschine vorgesehen.
Während der Kurvenfahrt wirkt auf ein Fahrzeug die Zentrifu­ galkraft
wobei m die Masse des Fahrzeugs, v die Geschwindigkeit und r den Radius der Kreisbahn darstellt. Eine seitlich auf das Fahrzeug wirkende Kraft wird - neben den seitlich angreifen­ den Kraftkomponenten hervorgerufen durch Wind und Fahrzeug­ schräglage - über die Reifen auf die Fahrbahn übertragen. In Abhängigkeit von der Massenverteilung treten an Vorder- und Hinterachse unterschiedliche Seitenkräfte auf.
Überschreitet bei einem Rad die zu übertragende Seitenkraft einen Grenzwert, wird das Fahrverhalten instabil, das Fahr­ zeug bricht seitlich aus, die Kontrolle über das Fahrzeug geht verloren.
Die Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 wirkt auf die Fahrzeuggeschwindigkeit reduzierend ein, wenn an den Rä­ dern wenigstens einer Achse eine derartige Instabilität festgestellt wird bzw. sich andeutet und garantiert damit ein stabiles Kurvenverhalten. Dabei kann entweder zur Geschwindigkeitsreduzierung nur gebremst oder nur das Motormoment reduziert werden und es können Kombinationen beider Maßnahmen ange­ wendet werden. Dabei kann das Maß der Bremsung direkt vom Maß der Unterschreitung des Schwellenwerts K abhängig gemacht werden, bzw. es kann nur an der Achse gebremst werden, die keine Instabilität zeigt. Günstigerweise wird die Bremsung geregelt durchgeführt, d. h., ein Antiblockierregelsystem verwendet.
Der Schwellenwert K kann variabel sein und in Abhängigkeit von den Fahrzustandsgrößen variiert werden. Wird nur eine Reduzierung des Motormoments vorgenommen, so kann der Schwellenwert kleiner gewählt werden als wenn auch gebremst wird.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung be­ schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine derartige Vorrichtung in Blockdarstellung,
Fig. 2 eine Darstellung der Räder zur Verdeutlichung der Geschwin­ digkeiten und Kräfte,
Fig. 3 eine weitere Darstellung der Räder zur Ableitung von Größen,
Fig. 4 den Verlauf der Seitenkraft als Funktion des Schräglaufwin­ kels,
Fig. 5 Verläufe der Seitenkraft Sy als Funktion des Längsschlupfs λx,
Fig. 6 Verläufe der Seitenkraft Sy als Funktion der Radlast Fz.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist ein Block 1 darge­ stellt, der das Fahrzeug repräsentiert. Ihm ist ein Antiblockierreg­ ler 2 zugeordnet, der den vom Fahrer auf der Bremsleitung 3 einge­ steuerten Bremsdruck PB in bekannter Weise in geregelte Bremsdrücke PV1, PV2, PH1 und PH2 für die Bremsen der vier Räder des Fahrzeugs umsetzt. Außerdem ist dem Fahrzeug 1 noch ein elektrisches Gaspedal 4 zugeordnet. Dieses stellt z. B. die Drosselklappe des Fahrzeugs elektrisch in eine Stellung αDK, die der augenblicklichen Gaspedal­ stellung αGP entspricht.
Am Fahrzeug sind Meßwertgeber 1a für den Lenkwinkel β, 1b für die Fahrgeschwindigkeit VF des Fahrzeuges, 1c für die Drehgeschwindig­ keit des Fahrzeugs um die Hochachse, 1d und 1e für die Seitenbe­ schleunigung an der Vorderachse (bv) und der Hinterachse (bH) und 1f und 1g zur Feststellung der Achslasten des Fahrzeugs 1 vorgesehen.
Die Fahrgeschwindigkeit kann z. B. aus den Radgeschwindigkeitsgebern des Antiblockierregelsystems abgeleitet werden oder es kann ein be­ kannter Geber zur Geschwindigkeitsmessung (Beschleunigungsmesser mit Integrator, Dopplerradar usw.) vorgesehen sein. Die Drehgeschwindig­ keit kann man z. B. mit einem Kreisel (Wendekreisel) messen. Zur Bestimmung der Seitenbeschleunigungen können den Achsen (Seiten-)­ Beschleunigungsmesser zugeordnet sein. Schließlich können die antei­ ligen Fahrzeugmassen aus dem Einfederweg oder z. B. auch aus der Ni­ veauregelung abgeleitet werden. Anstelle der direkten Messung der Drehgeschwindigkeit kann man auch die Drehbeschleunigung messen und daraus durch Integration die Drehgeschwindigkeit ableiten.
In einem weiteren Block 6, dem die obengenannten Meßwerte zugeführt wurden, werden die Seitenkräfte SV und SH und die Schräglaufwinkel δV und δH an den Achsen ermittelt. Die Seitenkräfte ergeben sich aus folgenden Beziehungen:
SV = mvbv
SH = mHbH
Die Schrägwinkel δV und δH lassen sich wie folgt ermitteln:
δV = β - α - αB
δH = -α - αB
Hierin bedeuten:
αB der Bahnwinkel (Winkel des Bahnkurvenvektors)
α der Drehwinkel.
Obige Beziehungen (2) lassen sich aus Fig. 2 ableiten, in der die Fahrzeugräder einer Fahrzeugseite mit A (um den Winkel β eingeschla­ genes Vorderrad) und B (Hinterrad) einschließlich der dort wirkenden Seitenkräfte SV und SH und der Geschwindigkeitsvektoren VBV und VRV sowie VBH und VRH eingezeichnet sind. Die Vektoren VRV und VRH stel­ len die resultierenden Radgeschwindigkeiten und die Vektoren VBV und VBH die Geschwindigkeiten bei reiner Bahnbewegung am Vorder- und Hinterrad dar.
Aus der Fig. 3, in der die beiden Räder A und B zu aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten t1 und t2 (t2 - t1 = T = Taktzeit der Auswertung) im Achsab­ stand lA und in einer Kurve mit dem Radius r fahrend, dargestellt sind, lassen sich folgenden Beziehungen ableiten:
Hieraus ergibt sich:
Dies in (2) eingesetzt ergibt:
Für die weitere Betrachtung ist nur die Änderung des Schräglaufwinkels von Interesse. Man kann dann schreiben:
ΔδV = β - Δα - ΔαB
ΔδH = -Δα - ΔαB (6)
Die Differenz Δα ist zwischen zwei Meßzeitpunkten:
wobei beim letzten Term die Trapezregel angewendet wurde.
Entsprechend ist unter der Annahme, daß innerhalb von T β und VF konstant sind, ΔαB:
Die zum Beispiel nach den obigen Beziehungen ermittelten Werte für SV und SH und ΔδV und ΔδH werden dann einem Block 7 zugeführt, der daraus unter Berücksichtigung der Seitenkräfte zum vorhergehenden Meßzeitpunkt (Abstand T) die Quotienten
für die beiden Achsen bildet. Diese Quotienten werden Vergleichern 8 und 9 zugeführt, denen auch eine Größe K zugeführt wird, die hier als konstant angenommen wird, jedoch auch variabel sein kann.
Aus der Fig. 4, in der die Seitenkräfte S über dem Schräglaufwinkel δ auf­ getragen ist, geht hervor, daß die Seitenkraft von 0 ausgehend ansteigt, aber ab δx wieder abnimmt.
Dieses Verhalten sagt aus, daß die Bereiche jenseits von δx und -δx insta­ bil sind, daß also die Regelung zwischen -δx und +δx stattfinden muß. Dies bedeutet, daß ΔS/Δδ ≧ 0 sein muß.
Zieht man in Betracht, daß als Folge der Regelung das Fahrzeug z. B. auch gebremst werden soll, also auch noch eine in Längsrichtung wirkende Brems­ kraft zusätzlich auf die Fahrbahn übertragen werden soll, so ergibt sich aus dem bekannten Verlauf der Stabilitätsgrenze bei zu übertragenden Längs- und Querkräften, daß ΔS/Δδ nicht 0 oder ganz nahe 0 werden darf, sondern nur einen vorgegebenen (empirisch zu ermittelnden) Wert K < 0 annehmen darf.
Wird dieser Wert unterschritten, so sprechen Schaltglieder 10 und 11 an und erzeugen jeweils ein Schaltsignal BV bzw. BH. Diese Signale werden einem Glied 12 zur Aufspaltung dieser Signale zugeführt. Dieses Glied 12 bewirkt, daß über das Antiblockierregelsystem 2 mittels eines gesonderten Druckgebers Druck an den Radbremsen eingesteuert wird, also das Fahrzeug gebremst wird und/oder daß die Drosselklappe rückgestellt wird, also das Motormoment reduziert wird. Es sind dabei verschiedene Beeinflussungsmög­ lichkeiten gegeben, so z. B.:
  • a) Die geregelte Abbremsung erfolgt, ohne daß das Motormoment zurückge­ nommen wird. Dabei ergibt sich bei der Abbremsung der angetriebenen Achse eine partielle Differential-Sperrwirkung.
  • b) Die geregelte Abbremsung erfolgt erst nach geregelter Zurücknahme des Motormoments.
  • c) Beide Achsen werden gemeinsam geregelt gebremst, wenn BV oder BH vor­ handen ist. Das ABS verhindert die Überbremsung.
  • d) Vorder- und Hinterachse werden getrennt geregelt gebremst. Die Achse mit unkritischem Zustand wird dabei stärker gebremst als die Achse mit kritischem Zustand, wobei unterschiedliche BV und BH ausgewertet werden müssen.
  • e) Nur die unkritische Achse wird gebremst.
Es sind beliebige Kombinationen von a), b) mit c), d), e) möglich, so z. B. b) + e). Mögliche Beeinflussungen ergeben sich aus folgender Tabelle:
Dabei sind BV und BH die dem Glied 12 zugeführten Signale und αGP das mit­ tels des Gaspedals erzeugte Signal. V, H und G sind die Begrenzungen, die die Bremsdrücke P vorn (V) und hinten (H) bzw. die Drosselklappe (G) erfahren.
Aus der Fig. 5, in der über dem Längsschlupf λx das Verhältnis der Seiten­ kraft Sy zur Längskraft Sx mit dem Schräglaufwinkel δ als Parameter aufge­ tragen ist, ergibt sich, daß mit steigendem Schräglaufwinkel δ die Seiten­ kraft bei gegebener Längskraft anwächst. Dies zeigt auch Fig. 6. Außerdem wächst die Seitenkraft Sy mit der Radlast Sz im interessierenden Bereich an, wie dies ebenfalls aus Fig. 6 hervorgeht.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Steuerung, insbesondere zur Begrenzung, der Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeuges, welches mit einer Stelleinrichtung zur Einstellung eines Motormomentes der An­ triebsmaschine des Fahrzeuges und einer Bremsanlage ausge­ stattet ist,
die einen Meßwertgeber für den Lenkwinkel, einen für die Drehgeschwindigkeit des Fahrzeuges um seine Hochachse und wenigstens einen für die Seitenbeschleunigung enthält,
die eine Einrichtung zur Ermittlung der an den Achsen des Fahrzeuges auftretenden Seitenkräfte (SV, SH) und der Ände­ rungen (ΔSV, ΔSH) dieser Seitenkräfte enthält, wobei die Seitenkräfte und deren Änderungen wenigstens in Abhängigkeit der Seitenbeschleunigung ermittelt werden,
die eine Einrichtung zur Ermittlung der an den Achsen des Fahrzeuges auftretenden Schräglaufwinkel (δV, δH) und der Änderungen (ΔδV, ΔδH) dieser Schräglaufwinkel enthält, wobei die Schräglaufwinkel und deren Änderungen wenigstens in Ab­ hängigkeit der Drehgeschwindigkeit des Fahrzeuges um seine Hochachse und des Lenkwinkels ermittelt werden,
die eine Einrichtung enthält, mit der für die Achsen des Fahrzeuges aus den Änderungen der Seitenkräfte und den Ände­ rungen der Schräglaufwinkel Quotienten
gebil­ det werden, und
die eine Einrichtung enthält, mit der die Quotienten mit ei­ nem positiven Schwellwert (k) verglichen werden, wobei bei Unterschreiten dieses Schwellwertes durch wenigstens einen der Quotienten, die Fahrgeschwindigkeit durch Eingriffe in die Bremsanlage und/oder in die Stelleinrichtung herabge­ setzt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß den Achsen des Fahrzeuges jeweils ein Meßwertgeber zur Ermittlung der an der jeweiligen Achse des Fahrzeuges auf­ tretenden Querbeschleunigung vorgesehen ist, und/oder
daß Meßwertgeber zur Ermittlung der Achslasten vorgesehen sind und/oder
daß die anteiligen Fahrzeugmassen aus dem Ein­ federweg oder aus der Niveauregelung abgeleitet werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (k) variabel ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (k) von den Fahrzustandsgrößen beeinflußt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (k) im Falle der Beeinflussung nur des Mo­ tormoments kleiner gewählt wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bremsung an den Rädern der einzelnen Achsen von der Unterschreitung des Schwellenwerts (k) an der zugehörigen Achse abhängt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Räder der Achse, für die der Schwellenwerk (k) nicht un­ terschritten wird, gebremst werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Räder der Achse, für die der Schwellenwert (k) unterschrit­ ten wird, weniger stark gebremst wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der Bremsung vom Maß der Unterschreitung abhängt derart, daß die Achse, die den Schwellenwert (k) geringer unter­ schreitet, stärker gebremst wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsung unter Einsatz eines Anti­ blockierreglers erfolgt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenkräfte (SV, SH) aus der Mes­ sung der Querbeschleunigungen (bV, bH) an den Achsen unter Einbeziehung der Achslasten (mV, mH) ermittelt werden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schräglaufwinkel (δV, δH) aus dem Lenkwinkel (β), dem Drehwinkel (α) um die Hochachse und dem Bahnwinkel (αB) (Winkel des Bahnkurvenvektors) ermittelt wer­ den.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel (α) aus der Integration der Drehgeschwin­ digkeit () gewonnen wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bahnwinkel (αB) durch Integration des Aus­ drucks
gewonnen wird, mit
VF = Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges,
lA = Achsabstand, β = Lenkwinkel.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzen der Schräglaufwinkel (ΔδV, ΔδH) aus der Änderung des Lenkwinkels (Δβ) und den Ände­ rungen des Drehwinkels (Δα) um die Hochachse und des Bahnwin­ kels (ΔαB) in aufeinanderfolgenden Meßzeitpunkten (Abstand T) gewonnen werden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Drehwinkels (Δα) durch Messung der Dreh­ geschwindigkeit ((t)) und ((t + T)) ermittelt wird.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Änderung des Bahnwinkels (ΔαB) gemäß dem Ausdruck
ermittelt wird, wobei VF die Fahrgeschwindigkeit des Fahr­ zeuges, lA der Achsabstand und β der Lenkwinkel ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bestimmung der Fahrgeschwindigkeit durch Messung mehrerer Radgeschwindigkeiten erfolgt.
19. Verfahren zur Steuerung, insbesondere zur Begrenzung, der Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeuges, wobei das Fahrzeug mit einer Stelleinrichtung zur Einstellung eines Motormomen­ tes der Antriebsmaschine des Fahrzeuges und einer Bremsanla­ ge ausgestattet ist,
bei dem ein Lenkwinkel, eine Drehgeschwindigkeit des Fahr­ zeuges um seine Hochachse, wenigstens eine Seitenbeschleuni­ gung und Achslasten erfaßt werden,
bei dem die an den Achsen des Fahrzeuges auftretenden Sei­ tenkräfte (SV, SH) und die Änderungen (ΔSV, ΔSH) dieser Sei­ tenkräfte in Abhängigkeit der Seitenbeschleunigung und der Achslasten ermittelt werden,
bei dem die an den Achsen des Fahrzeuges auftretenden Schräglaufwinkel (δV, δH) und die Änderungen (ΔδV, ΔδH) die­ ser Schräglaufwinkel wenigstens in Abhängigkeit der Drehge­ schwindigkeit des Fahrzeuges um seine Hochachse und des Lenkwinkels ermittelt werden,
bei dem für die Achsen des Fahrzeuges aus den Änderungen der Seitenkräfte und den Änderungen der Schräglaufwinkel Quoti­ enten
gebildet werden, und
bei dem die Quotienten mit einem positiven Schwellwert (k) verglichen werden, wobei bei Unterschreiten dieses Schwell­ wertes durch wenigstens einen der Quotienten, die Fahrge­ schwindigkeit durch Eingriffe in die Bremsanlage und/oder in die Stelleinrichtung herabgesetzt wird.
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