DE102005018519B4

DE102005018519B4 - Verfahren zur Fahrdynamik-Regelung von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102005018519B4
Application number: DE102005018519.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Auer Egon; Dr. Krimmel Horst
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: US20060259224A1; DE102005018519A1; JP2007008450A

Abstract

Verfahren zur Fahrdynamik-Regelung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Fahrdynamik-Regelung auf einer gemessenen Querbeschleunigung des Fahrzeugs basiert, und wobei die Differenz (Δ) zwischen einer berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung berechnet wird, wobei als Funktion dieser Differenz (Δ) dem Fahrerwunsch, d. h. dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel, ein zusätzlicher vorzeichenbehafteter Radlenkwinkel überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Funktion dieser Differenz (Δ) auch eine Wankabstützung mit einem variablen Abstützverhältnis der auftretenden Kräfte auf Vorder- und Hinterachse und/oder eine variable Dämpfung in einer Radfederung beeinflusst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fahrdynamik-Regelung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist beispielsweise der DE 40 00 995 A1 entnehmbar.
Heutige Fahrdynamik-Regelungen in Serienfahrzeugen basieren üblicherweise auf Größen wie die Fahrzeug-Gierrate und der Fahrzeug-Schwimmwinkel, welche zur Bildung von entsprechenden Steuersignalen herangezogen werden.
Beispielsweise ist aus der DE 197 51 227 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Lenksystems für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem lenkbaren Rad, einem Stellantrieb und einem Überlagerungsgetriebe bekannt. Im Rahmen des Verfahrens zum Betrieb des Lenksystems wird eine die Gierbewegung des Fahrzeugs repräsentierende Giergröße erfasst und bei Vorliegen eines bestimmten Fahrzustands ein zumindest von der Giergröße abhängiges Steuersignal gebildet, welches den Stellantrieb ansteuert. Des Weiteren wird eine den Bremszustand des Fahrzeugs repräsentierende Größe erfasst, welche zur Erfassung von Fahrzuständen verwendet wird. Dadurch soll das Gierverhalten des Fahrzeugs insbesondere bei ABS-Bremsungen erzielt werden, bei denen unterschiedliche Bremskräfte auf den Rädern wirken.
Aus der DE 101 41 274 A1 ist ein Kraftfahrzeug-Lenksystem mit einem Gierratenregler bekannt, wobei der Gierratenregler laufend eine die Fahrzeug-Gierbewegung repräsentierende Gierrate erfasst und ein hiervon abhängiges Steuersignal bildet, welches eine einer unerwünschten Gierbewegung entgegenwirkende Lenkbewegung veranlasst. Das Steuersignal wird in Abhängigkeit vom Bremszustand des Fahrzeugs gebildet, so dass vorzugsweise das Steuersignal im Falle eines geregelten Bremsvorgangs mit zumindest einem anderen Verstärkungsfaktor gebildet wird als im ungebremsten Fahrzustand.
Des weiteren ist im Rahmen der DE 102 12 582 A1 ein Verfahren zur Regelung der Fahrdynamik beschrieben, wobei mindestens ein Lenkeingriff an einer Fahrzeugachse geregelt wird, im Rahmen dessen eine zumindest durch eine Soll-Gierdynamik beschriebene Soll-Fahrdynamik ermittelt wird und ein Lenkwinkel-Vorsteuerwert aufgrund der Soll-Fahrdynamik unter Verwendung eines Regelstreckenmodells bestimmt wird. Des weiteren wird der zumindest durch die Gierrate beschriebene Fahrzustand und zumindest ein Lenkwinkel-Korrekturwert aufgrund der Abweichung der Ist-Gierrate von einer Soll-Gierrate ermittelt und der Lenkeingriff durch den Lenkwinkel-Vorsteuerwert und den mindestens einen Lenkwinkel-Korrekturwert festgelegt.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren muss im Rahmen der auf der gemessenen Fahrzeug-Gierrate basierenden Modellfolge-Regelung zur Führungsgrößenbildung der aktuelle Fahrbahnreibwert bestimmt werden und das Fahrzeugeigenlenkverhalten bekannt sein, das üblicherweise als linearisiertes stationäres Einspurmodell abgebildet wird und vor allem im Bereich höherer Reifenschlüpfe und hochdynamischer Manöver Abweichungen vom Einspurmodell aufweist. Eine Reibwertschätzung ist zudem in nachteiliger Weise aufwändig und kann je nach Fahrsituation mit großen Unsicherheiten behaftet sein.
Andererseits muss zur Regelung des Fahrzeug-Schwimmwinkels eine Berechnung bzw. Schätzung des Schwimmwinkels durchgeführt werden, da der Schwimmwinkel in Serienfahrzeugen üblicherweise aufgrund der hohen Sensorkosten nicht direkt gemessen wird. Auch ist eine Berechnung des Schwimmwinkels mittels der heute verfügbaren Serien-Sensoren mit vergleichsweise hoher Ungenauigkeit behaftet. Außerdem ist zur Berechnung des Schwimmwinkels eine zeitliche Integration notwendig, die aufgrund der Aufsummierung von Signalungenauigkeiten in bestimmten Fahrsituationen bereits nach wenigen Sekunden wegdriftet und mit aufwändiger Logik gestützt werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fahrdynamik-Regelung von Kraftfahrzeugen aus dem Stand der Technik zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird ein Verfahren zur Fahrdynamik-Regelung eines Kraftfahrzeugs angegeben, bei dem die Fahrdynamik-Regelung auf der gemessenen Querbeschleunigung des Fahrzeugs basiert. Dabei wird vorgeschlagen, dass die Differenz Δ zwischen der berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung berechnet wird, wobei als Funktion dieser Differenz dem Fahrerwunsch, d. h. dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel, ein zusätzlicher Radlenkwinkel überlagert wird.
Gemäß einer ersten Variante wird die Differenz Δ zwischen der berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung als Maß für die Umsetzbarkeit des Fahrerwunsches unter den aktuellen Fahrbedingungen herangezogen. Dafür wird die Differenz Δ zwischen einer nach geometrischen Beziehungen aus dem Radlenkwinkel und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (unter der Annahme, dass kein Querschlupf an den Reifen auftritt) berechneten Querbeschleunigung und der tatsächlich gemessenen Querbeschleunigung als Maß für die Querbelastung des Fahrzeugs gebildet und als Maß für die Umsetzbarkeit des Fahrerwunsches unter den aktuellen Fahrbedingungen (z. B. Reibkontakt Fahrbahn-Reifen, Eigenlenkhalten des Fahrzeugs, Lastverteilung bezüglich Vorder-/Hinterachse bzw. Kurveninnen-/Kurvenaußenseite) verwendet. Ist die gemessene Querbeschleunigung deutlich kleiner als die aus dem Radlenkwinkel berechnete Querbeschleunigung, so entspricht dies hohen Querschlupfwerten bzw. Schräglaufwinkeln, was bedeutet, dass die zum Halten der Spur benötigten Reifenquerkräfte nicht mehr in ausreichendem Maße auf die Fahrbahn abgesetzt werden können. Hierbei kann für die Differenz Δ ein Schwellenwert definiert bzw. in Abhängigkeit von weiteren Parametern (z. B. Wahl des Fahrprogramms) vorgegeben werden. Da die Reifenquerkraftkennlinie (Reifenquerkraft als Funktion des Schräglaufwinkels) jenseits eines Maximums mit weiter steigendem Schräglaufwinkel wieder abfällt, werden gemäß der Erfindung Maßnahmen eingeleitet, um den Lenkeinschlag rechtzeitig zu begrenzen.
Dies wird erfindungsgemäß beispielsweise dadurch erreicht, dass dem Fahrerwunsch, d. h. dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel, ein zusätzlicher vorzeichenbehafteter Radlenkwinkel als Funktion der Differenz Δ überlagert wird, um damit den resultierenden Schräglaufwinkel an Vorder- und Hinterachse zu reduzieren. Diese Funktion kann beispielsweise eine Reduzierung des Radlenkwinkels proportional oder integrierend zur Differenz Δ sein, solange die berechnete Querbeschleunigung größer als die gemessene Querbeschleunigung ist oder solange die Differenz Δ zwischen der berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Für den Fall, dass der Radlenkwinkel erhöht wird, wird damit der Lenkaufwand des Fahrers reduziert.
Das Verfahren ist nicht auf einen Lenkeingriff beschränkt, sondern kann alle fahrdynamisch relevanten Systeme ansprechen, wie beispielsweise die Antriebsmomentverteilung über einen variablen Längsverteiler und regelbare Quersperren, die Wankabstützung mit variablem Abstützverhältnis der auftretenden Kräfte auf Vorder- und Hinterachse, die variable Dämpfung in der Radfederung und/oder die Fahrzeugbetriebsbremse. Vorliegend ist daher vorgesehen, dass als Funktion der Differenz Δ auch die Wankabstützung mit dem variablen Abstützverhältnis der auftretenden Kräfte auf Vorder- und Hinterachse und/oder die variable Dämpfung in der Radfederung beeinflusst wird.
Die Berechnung der Querbeschleunigung kann beispielsweise nach der folgenden geometrischen Beziehung erfolgen: α_{y_1} = (ν² _FZGδ_Lenk)/Radstand mit: V_FZG = Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit, δ_LENK = Lenkwinkel am Vorderrad und a_{y_1} = Querbeschleunigung.
In einer Ausgestaltung kann entsprechend dem Maß der Umsetzbarkeit des Fahrerwunsches die erforderliche Lenkkraft erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Variante des hier vorgestellten Verfahrens wird beispielsweise folgende Formel als Näherung einer stabilen, stationären Fahrsituation bei niedriger Querbeschleunigung verwendet, bei der die Querbeschleunigung aus der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und der Gierrate vereinfacht über die Bahnkrümmung berechenbar ist. α_{y_2} = ν_FZGd/dt(ψ) mit ψ = Fahrzeuggierwinkel, ν_FZG = Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und α_{y_2} = Querbeschleunigung. Es ist auch möglich, weitere aus dem Stand der Technik bekannte Berechnungsmethoden anzuwenden, die auf der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und der Gierrate basieren. Hierbei wird gemäß der Erfindung als Funktion der Differenz Δ zwischen der gemessenen Querbeschleunigung und der berechneten Querbeschleunigung dem Fahrerwunsch ein zusätzlicher vorzeichenbehafteter Radlenkwinkel überlagert.
Bei diesem Verfahren dient die Differenz Δ zwischen der gemessenen und der berechneten Querbeschleunigung als Maß für einen instationären Schwimmwinkelaufbau und folglich für eine beginnend kritische Fahrsituation, bei der das Fahrzeug entweder in einem höheren Maße oder in einem geringeren Maße giert als es einer langsamen stationären Bewegung auf seiner Bahnkurve entsprechen würde. Der Schwellenwert kann auch als Funktion weiterer Parameter, z. B. des Fahrprogramms, definiert werden.
Für den Fall, dass das Fahrzeug dynamisch untersteuert, zeigt dies eine Tendenz zum Überziehen der Vorderräder an, wobei die vom Fahrer geforderte hohe Gierbeschleunigung aufgrund nicht ausreichender Bodenhaftung nicht mehr ausreichend in Bewegung umgesetzt werden kann, was in reduzierter Agilität und Sicherheit resultiert, wenn dabei das Maximum der Reifenquerkraftkennlinie überschritten wird. Im übersteuernden Fall zeigt dies eine Tendenz zum Überdrehen des Fahrzeugs mit Haftungsverlust an der Hinterachse an.
Einer derartigen instabilen Fahrsituation wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung entgegengewirkt, indem ein Regler Soll- und Ist-Querbeschleunigung in Übereinstimmung bringt. Dies wird dadurch erreicht, dass dem Fahrerwunsch ein zusätzlicher (vorzeichenbehafteter) Radlenkwinkel als Funktion der Regeldifferenz überlagert wird. Die Regeldifferenz kann direkt oder erst nach einem der vorherigen Ansprüche Überschreiten einer Schwelle aufgeschaltet werden. Im übersteuernden Fall kann diese Funktion beispielsweise eine Reduzierung des Radlenkwinkels proportional oder integrierend zur Regeldifferenz sein. Im untersteuernden Fall (in der Regel ist dies der fahrdynamisch unkritischere Fall) kann die Agilität des Fahrzeugs erhöht werden, indem vor dem Reifenquerkraftmaximum an der Vorderachse der Radlenkwinkel zur Steigerung der Agilität erhöht wird, wobei, wenn das Reifenquerkraftmaximum überschritten wird, also jenseits des Reifenquerkraftmaximums, die Lenkung wieder geöffnet wird (der Lenkwinkel wird reduziert), um die maximale Reifenquerkraft einsetzen zu können.
Auch diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf einen Lenkeingriff beschränkt, sondern kann alle fahrdynamisch relevanten Systeme ansprechen, wie beispielsweise die Antriebsmomentverteilung über einen variablen Längsverteiler und regelbare Quersperren, die Wankabstützung mit variablem Abstützverhältnis der auftretenden Kräfte auf Vorder- und Hinterachse, die variable Dämpfung in der Radfederung und/oder die Fahrzeugbetriebsbremse.
Besonders vorteilhaft für den Praxiseinsatz ist eine Überlagerung beider vorgestellten Varianten, da im Rahmen der ersten Variante, bei der dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel ein zusätzlicher Radlenkwinkel als Funktion der Differenz Δ überlagert wird, ein gewisser Sicherheitsbereich eingestellt wird, während bei der zweiten Variante in einem kritischen Fall ein Verdrehen der Fahrzeuglängsachse verhindert wird. Hierbei kann die Überlagerung beider Verfahren vorzugsweise proportional erfolgen.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird der Fahrer in kritischen Situationen durch die Regelung, aufgrund ihres überwiegend proportionalen Charakters unterstützt, wobei im Notfall durch einen Lenkeingriff seitens des Fahrers (beispielsweise, um eine Kollision zu verhindern) die Regelung überlenkt werden kann.
Neben der Querbeschleunigung wird zur Durchführung des Verfahrens der Wert des Lenkwinkels und/oder der Fahrzeuggierrate benötigt. Diese Parameter stehen ohne zusätzliche Kosten zur Verfügung, da die benötigten Sensoren für Lenkwinkel, Gierrate und Querbeschleunigung aufgrund der Verwendung bei bremsenbasierten Fahrdynamikregelungen (z. B. ESP) in Serienfahrzeugen weit verbreitet sind.

Claims

Verfahren zur Fahrdynamik-Regelung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Fahrdynamik-Regelung auf einer gemessenen Querbeschleunigung des Fahrzeugs basiert, und wobei die Differenz (Δ) zwischen einer berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung berechnet wird, wobei als Funktion dieser Differenz (Δ) dem Fahrerwunsch, d. h. dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel, ein zusätzlicher vorzeichenbehafteter Radlenkwinkel überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Funktion dieser Differenz (Δ) auch eine Wankabstützung mit einem variablen Abstützverhältnis der auftretenden Kräfte auf Vorder- und Hinterachse und/oder eine variable Dämpfung in einer Radfederung beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz (Δ) zwischen der berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung als Maß für die Umsetzbarkeit des Fahrerwunsches unter den aktuellen Fahrbedingungen herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktion der Differenz (Δ) zwischen der berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung zusätzlich zur Ansteuerung weiterer fahrdynamisch wirksamer Aggregate verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Funktion der Differenz (Δ) zwischen der berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung eine Antriebsmomentverteilung über einen variablen Längsverteiler und regelbare Quersperren und/oder eine Fahrzeugbetriebsbremse beeinflusst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die gemessene Querbeschleunigung kleiner als die aus dem Radlenkwinkel berechnete Querbeschleunigung ist oder die Differenz (Δ) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel ein zusätzlicher vorzeichenbehafteter Radlenkwinkel als Funktion der Differenz (Δ) überlagert wird, um damit den resultierenden Schräglaufwinkel an Vorder- und Hinterachse zu reduzieren und/oder den Lenkaufwand des Fahrers zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Radlenkwinkel proportional und/oder integrierend zur Differenz (Δ) reduziert oder erhöht wird, solange die berechnete Querbeschleunigung größer als die gemessene Querbeschleunigung ist oder solange die Differenz (Δ) zwischen der berechneten Querbeschleunigung und der gemessenen Querbeschleunigung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Schwellenwert in Abhängigkeit von weiteren Parametern definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Querbeschleunigung nach der folgenden geometrischen Beziehung erfolgt: α_{y_1} = (ν² _FZGδ_Lenk)/Radstand, mit: ν_FZG = Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit, δ_LENK = Lenkwinkel am Vorderrad und α_{y_1} = Querbeschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbeschleunigung aus einer Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und einer Gierrate berechnet wird, wobei als Funktion der Differenz (Δ) zwischen der gemessenen Querbeschleunigung und der berechneten Querbeschleunigung dem Fahrerwunsch ein zusätzlicher vorzeichenbehafteter Radlenkwinkel überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass, die Differenz (Δ) zwischen der gemessenen Querbeschleunigung und der berechneten Querbeschleunigung als Maß für einen instationären Schwimmwinkelaufbau und folglich für eine beginnend kritische Fahrsituation herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Reglers eine Soll- und Ist-Querbeschleunigung in Übereinstimmung gebracht werden, wobei der dem Fahrerwunsch überlagerte zusätzliche vorzeichenbehaftete Radlenkwinkel eine Funktion der Regeldifferenz ist.
Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im übersteuernden Fall der Radlenkwinkel proportional und/oder integrierend zur Regeldifferenz reduziert oder erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im untersteuernden Fall vor einem Reifenquerkraftmaximum an der Vorderachse der Radlenkwinkel zur Steigerung der Agilität erhöht wird und dass jenseits des Reifenquerkraftmaximums der Lenkwinkel reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbeschleunigung als Näherung einer stabilen, stationären Fahrsituation aus der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und der Gierrate vereinfacht über eine Bahnkrümmung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbeschleunigung gemäß folgender Formel berechnet wird: α_{y_2} = ν_FZGd/dt(ψ), mit ψ = Fahrzeuggierwinkel, ν_FZG = Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und α_{y_2} = Querbeschleunigung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich zum Verfahren zur Fahrdynamik-Regelung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 durchgeführt wird, wobei die Wirkungen beider Verfahren überlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung proportional erfolgt.