Verfahren und Vorrichtung zur Begrenzung der Querbeschleunigung eines fahrenden Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begrenzung der Querbeschleunigung eines fahrenden Fahrzeugs gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
In zunehmendem Maße werden Fahrzeuge gefahren, etwa Geländewagen oder Kleinbusse, die einerseits eine sehr gute Bodenhaftung und andererseits einen vergleichsweise hohen Schwerpunkt haben. Dadurch können Probleme dahingehend entstehen, daß die aufgrund der guten Bodenhaftung übertragenen Querkräfte so groß sind, daß die entstehende Zentrifugalkraft zu einem Kippen des Fahrzeugs führt. Die physikalischen Zusammenhänge werden kurz anhand von Fig. 2 erläutert:
Fig. 2 zeigt schematisch von hinten ein Fahrzeug 210 auf einer Fahrbahn 200. 103 und 104 sind die Räder an der Hinterachse. Es wird angenommen, daß das Fahrzeug eine Rechtskurve fährt, sich in Projektion auf die Zeichenebene also nach rechts bewegen würde. Durch die Kreisfahrt des Fahrzeugs entsteht eine Zentrifugalkraft
Z = m • A • r = mv2/r, wobei m die Fahrzeug-masse ist, ι_ die Winkelgeschwindigkeit während der Kreisfahrt, v die Fahrzeuggeschwindigkeit und r der Radius der Kreisfahrt. Die
wirkende Zentrifugalkraft Z, die als Produkt aq • m ausgedrückt werden kann, wobei aq die Querbeschleunigung ist, kann man sich am Schwerpunkt S des Fahrzeugs angreifend denken. Der Schwerpunkt S liegt in etwa mittig zwischen den Rädern und in einer Höhe h über der Fahrbahn. Am Schwerpunkt S greift ebenfalls die Gewichtskraft G = m • g an, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Solange das Fahrzeug auf dem gewünschten Kreis fährt (es gilt dann aq = v2/r), solange also die Seitenführungskräfte F an den vier Rädern (etwa entsprechend F = μ • G, wobei μ der Reibwert zwischen Reifen und Fahrbahn ist) gleich der Zentrifugalkraft Z sind, werden die genannten Zentrifugalkräfte gemäß obiger Gleichung entstehen. Es kann dann passieren, daß das Fahrzeug aufgrund einer ungünstigen Momentenverteilung über das Außenrad kippt. Prinzipiell passiert dies, wenn G • b/2 < Z • h gilt, wobei h die Höhe des Schwerpunkts S über der Fahrbahn 200 ist und b/2 in etwa die halbe Spurbreite des Fahrzeugs ist. Die obige Ungleichung stellt in erster Näherung das Momentengleichgewicht um den Punkt P dar. Wenn das auswärtsdrehende Moment Z • h größer ist als das einwärtsdrehende Moment G • b/2, kippt das Fahrzeug nach außen. Diese Gefahr ergibt sich insbesondere bei Fahrzeugen mit geringer Spurbreite (b/2 klein) und vergleichsweise großer Höhe und damit hohem Schwerpunkt (hoher Wert von h), beispielsweise veranlaßt auch durch eine Dachlast 220 auf dem Fahrzeug 210.
Um einen derartigen Betriebszustand vermeiden zu können, müssen eine kritische Situation, insbesondere ein Fahrzustand mit kritischer Querbeschleunigung, detektiert werden, und
auf die Detektion hin geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Begrenzung der Querbeschleunigung eines fahrenden Fahrzeugs anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Nachfolgend werden einzelne Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die Zeichnungen beschrieben, es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Fahrzeug in Draufsicht,
Fig. 2 schematisch ein Fahrzeug von hinten,
Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erkennungseinrichtung, und
Fig. 5 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Flußdiagramm.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Fahrzeug in Draufsicht, in dem die Efindung angewendet werden kann. 101 bis 104 sind die Räder des Fahrzeugs (vorne links, vorne rechts, hinten
rechts und hinten links), 111 bis 114 jeweils zugeordnet Radsensoren, 121 bis 124 jeweils Radbremsen, lila bis 114a sind Signalleitungen, die die Signale der Radsensoren 111 bis 114 einer Steuerung bzw. Regelung 130 im weitesten Sinne eingeben. Die Steuerung bzw. Regelung 130 kann Eingangssignale weiterer Sensoren 115 bis 117 empfangen. Sie erzeugt Ausgangssignale 131, mit denen beispielsweise die Bremsen 121 bis 124 angesprochen werden können. Daneben kann auch das Antriebsmoment durch Beeinflussung des Motors einstellbar sein.
Fig. 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Begrenzung der Querbeschleunigung eines fahrenden Fahrzeugs. 310 ist eine Erkennungseinrichtung zum Erkennen eines Fahrzustands mit kritischer Querbeschleunigung, 320 ist eine Beeinflussungseinrichtung zum Beeinflussen des Bremsdrucks an zumindest einem Rad bzw. zum Beeinflussen des Antriebsmoments, wenn die kritische Querbeschleunigung erkannt wurde. Letztere ist in der Regel eine fahrzeugtypische Größe, die empirisch ermittelt und/oder berechnet werden kann. Soweit möglich, können externe, ermittelbare Faktoren, die die kritische Querbeschleunigung beeinflussen, berücksichtigt werden.
Die Erkennungseinrichtung 310 kann verschiedene Erkennungsstrategien aufweisen. Vorzugsweise wird ein System betrachtet, das den Fahrzustand mit kritischer Querbeschleunigung mittelbar oder unmittelbar aus den Radsignalen der Radsensoren 111 bis 114 erkennt. Zur Klarstellung sei angemerkt, daß unter "Radsignalen" Signale lila bis 114a verstanden werden, die die Drehgeschwindigkeit bzw.
Bahngeschwindigkeit eines abrollenden Rades wider-spiegeln. Wenn nicht besonders erwähnt, können dabei bezüglich des Raddurchmessers korrigierte Radgeschwindig-keiten oder unkorrigierte Radgeschwindigkeiten angesprochen sein. Wenn die Erkennungseinrichtung 310 einen Fahrzustand mit kritischer Querbeschleunigung erkannt hat, gibt sie zumindest ein Signal 311 aus, das der Beeinflussungseinrichtung 320 eben diesen kritischen Zustand mitteilt.
Nachfolgend wird bezugnehmend auf Fig. 4 eine Ausführungsform der Erkennungseinrichtung 310 beschrieben. Die Erkennungseinrichtung 310 weist in der gezeigten Ausführungsform vier Ermittlungseinrichtungen 410, 420, 430 und 440 auf, die jeweils bestimmte Kriterien ermitteln, die einen Hinweis auf eine kritische Querbeschleunigung geben können. 410 ist eine erste Ermittlungseinrichtung zum direkten Ermitteln der Querbeschleunigung. Gezeigt ist eine Ausführungsform, in der die erste Ermittlungseinrichtung 410 die vier Radsignale empfängt. Es kann sich bei ihr um ein komplexeres System handeln, das aus den Radsignalen Korrekturfaktoren für den Einfluß der Radradien ermittelt, und zwar sowohl kurzfristige als auch langfristige. Langfristige Korrekturfaktoren würden tatsächlich die unterschiedlichen Radradien kompensieren und somit Radgeschwindigkeiten vergleichbar machen. Kurzfristige Korrekturfaktoren können beispielsweise in der Kurve auftreten. Dort fährt das kurvenäußere Rad einen größeren Bogen als das kurveninnere und dreht deshalb schneller. Um die Vergleichbarkeit zur Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit herbeizuführen, wäre dieser geometrische Unterschied durch kurzfristige Korrekturfaktoren aufzufangen. Da sich gerade in diesen kurzfristigen Korrekturfaktoren die Kurvenfahrt
abbildet, kann insbesondere aus ihnen sowie aus den langfristigen Korrekturfaktoren und bezugnehmend auf weitere (nicht gezeigte) Eingangsgrößen die Querbeschleunigung ermittelt werden, die als Signal 419 ausgegeben werden kann. Die erste Ermittlungseinrichtung 410 kann beispielsweise den Algorithmus implementieren, der in der DE-OS 44 30 458 beschrieben ist. Der Inhalt dieser Patentanmeldung soll als zu dieser Anmeldung zugehörig angesehen werden. Wenn die erste Ermittlungseinrichtung 410 die kurzfristigen und langfristigen Korrekturfaktoren nicht selbst ermittelt, kann sie sie dort abfragen, wo sie erzeugt wurden. Auch dann ist der Bezug zu den Radgeschwindigkeiten gegeben.
411 ist eine Vergleichseinrichtung, die den ermittelten Wert der Querbeschleunigung mit einem Referenzwert 412 vergleicht. Ist das Signal auf Leitung 419 größer als das aus
412 kommende Signal, wird ein entsprechendes Signal 413 ausgegeben. Der in 412 gespeicherte Wert ist demnach als Schwellenwert für die Querbeschleunigung anzusehen. Er ergibt sich primär aus geometrischen Überlegungen
(Fz • h = m • aqs • h = G • b/2 = m • g • b/2, gegebenenfalls in Verbindung mit Sicherheitsschwellen gegen Fehlerkennungen, Fahrbahnneigungen, Beladungsvarianten usw. (aqs = g • b/(2 • h), wobei aqs der ideale, sich aus dem genannten Momenten-gleichgewicht ergebende Grenzwert für die Querbeschleunigung ist). Sofern erfaßbar, kann der Schwellenwert 412 abhängig von Parametern gemacht werden, beispielsweise Verteilung der Zuladung, Höhe des Schwerpunkts usw.
Das Signal 413 weist auf das Vorliegen eines kritischen Zustands hin und kann geeignete, später zu beschreibende Maßnahmen auslösen.
420 ist eine zweite Ermittlungseinrichtung. Sie ermittelt die Dynamik der Querbeschleunigung. Insbesondere kann sie beispielsweise die Ableitung des auf Signalweg 419 vorliegenden Signals bilden und das so gewonnene Signal einer ersten Auswerteeinrichtung 421 zukommen lassen. Eine positive Dynamik zeigt an, daß die Querbeschleunigung steigt. Die Auswerte-einrichtung 421 kann dies zusammen mit gegebenenfalls weiteren Werten, beispielsweise dem schon absolut vorhandenen Wert der Querbeschleunigung (auf Signalweg 419), der Fahrgeschwindigkeit usw. entsprechend geeigneten Kriterien verknüpfen und daraus ein weiteres Alarmsignal 423 erzeugen.
Eine dritte Ermittlungseinrichtung 430 ermittelt Radschlupfwerte. Sie empfängt hierzu (nicht gezeigt) eine Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit und bildet den Unterschied zu den einzelnen Radgeschwindigkeiten. 431 bezeichnet zweite Vergleichseinrichtungen, die die ermittelten Schlupfwerte mit Schwellenwerten vergleichen. Auf eine kritische Querbeschleunigung kann erkannt werden, wenn die Radschlupfwerte von kurveninneren Rädern über ersten Schwellenwerten und die Radschlupfwerte von kurvenäußeren Rädern unter zweiten Schwellenwerten liegen, wobei die zweiten Schwellenwerte vorzugsweise niedriger als die ersten Schwellenwerte sind. Für die Räder einer Seite des Fahrzeugs (vorne bzw. hinten) können unterschiedliche Schwellenwerte herangezogen werden. Wenn die genannten Bedingungen erfüllt sind, geben die zweiten Vergleichseinrichtungen ein Alarmsignal 433 aus.
Eine vierte Ermittlungseinrichtung 440 kann vorgesehen sein, um das Abheben eines Rads von der Fahrbahn zu erkennen. Sie kann wie folgt arbeiten: Sie macht sich die Tatsache
zunutze, daß ein von der Fahrbahn abgehobenes Rad schon durch geringe Momentenbeaufschlagung (Brems-, Antriebs-, Schleppmoment) sein Drehverhalten signifikant ändert. Es kann ausreichend sein, lediglich diejenige Achse zu überprüfen, die zuletzt abhebt (weil es Fahrzeuge gibt, die bei ansonsten stabilen Verhältnissen mit einem kurveninneren Rad abheben) .
Üblicherweise wird auf die Vorderachse geschaut, weil dort das Innenrad aufgrund des über der Motorachse liegenden Motors als letztes abhebt. Demzufolge würde die Erkennungseinrichtung 440 die Radsignale lila und 112a empfangen. Zu bestimmten oder bestimmbaren Zeitpunkten veranlaßt die Einrichtung 440 eine vorzugsweise geringe Bremsdruckerhöhung der Räder der betrachteten Achse. Hierzu kann ein Signal 442 ausgegeben werden, das die nötigen Veranlassungen auslöst. Die Erhöhung des Bremsdrucks ist so gewählt, daß sie bei auf der Fahrbahn abrollendem Rad keinen merklichen Einfluß hinterläßt, aber ein abgehobenes Rad deutlich abbremst. Bremsdrücke von kleiner 10, vorzugsweise kleiner 5 bar können beispielsweise gewählt werden. Auf die Ausgabe des Signals 442 hin werden die Radsignale der Räder der betrachteten Achse auf ihr Laufverhalten und insbesondere auf ihren Schlupf hin überprüft. Wenn an einem Rad deutliche Schlupfeinlaufe festgestellt werden, kann ein weiteres Alarmsignal 443 ausgegeben werden.
Anstelle eines Bremsdruckaufbaus kann, wenn das zuletzt abhebende Rad ein angetriebenes Rad ist, eine Motor- momentenbetrachtung durchgeführt werden. Wenn durch eine vorhandene Motorschnittstelle, oder durch eine andere
geeignete Einrichtung, sichergestellt werden kann, das Motormoment (Antriebs- oder Schleppmoment) auf das Rad einwirkt, kann der Prüfdruckaufbau entfallen und das Abheben dieses Rades an dem dem Motormoment entsprechenden Schlupfverhalten detektiert werden.
In der beschriebenen Ausführungsform werden somit a priori unabhängig voneinander Alarmsignale 413, 423, 433 und 443 erzeugt, die beispielsweise durch ein ODER-Gatter 450 zu einem einzigen Alarmsignal zusammengefaßt werden können, das als Signal 311 von der Erkennungseinrichtung 310 an die Beeinflussungseinrichtung 320 ausgegeben wird.
Es sei angemerkt, daß eine erfindungsgemäße Erkennungseinrichtung 310 eine oder mehrere der oben bezugnehmend auf Fig. 4 beschriebenen Komponenten 410 bis 440 aufweisen kann.
Auf die Erkennung einer kritischen Querbeschleunigung hin können unterschiedliche Maßnahmen getroffen werden: Wünschenswert ist a priori eine Geschwindigkeitsverringerung, da gemäß den eingangs genannten Formeln die Geschwindigkeit quadratisch in den Wert der Zentrifugalkraft und damit den Wert der Querbeschleunigung (Z = m • aq, wobei aq die Quer-beschleunigung ist) eingeht. Eine Verringerung der Geschwin-digkeit führt damit zu einer Abnahme der Querbeschleunigung. Geschwindigkeitsverringerung kann erfolgen durch Erhöhen der Bremskraft und/oder Reduktion der Antriebskraft .
Denkbar ist weiterhin eine Erhöhung des Kurvenradius, wobei dies a priori insofern ein gefährlicher Eingriff ist, als dadurch vom gewünschten Kurs des Fahrers abgewichen wird.
Sofern eine Motorschnittstelle vorhanden ist (Antriebsmoment seitens der Regelung beeinflußbar), kann auf die Erkennung einer kritischen Querbeschleunigung hin eine Absenkung der Antriebsleistung veranlaßt werden. Dadurch sinkt die Fahrzeuggeschwindigkeit und damit auch die Querbeschleunigung.
Zusätzlich oder alternativ ist auch eine Erhöhung der Bremskraft möglich. Grundsätzlich kann gebremst werden, wenn nicht schon seitens des Fahrers gebremst wird, da dann die Bremsung an sich stabil ist. Das gleiche gilt im Teilbremsbereich (der Fahrer bremst, aber innerhalb eines Bereichs, in dem die Räder stabil laufen). Auch hier kann der Bremsdruck erhöht werden. Im Vollbremsbereich kann es dagegen wünschens-wert sein, andere Beeinflussungsstrategien zu befolgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß ein aktiver Druckaufbau an den Bremsen der Vorderachse, bevorzugterweise am kurvenäußeren Rad, durchgeführt wird, was zur Begrenzung der Seitenführungskräfte an der Vorderachse führt. Dadurch rutscht das Fahrzeug geradeaus und durch die damit einhergehende Vergrößerung des Radius der Kreisfahrt wird die Querbeschleunigung reduziert und die Kippgefahr verringert sich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Beeinflussungsvorrichtung anderen Reglern bzw. Steuerungen vorgeschaltet. In Fig. 3 ist dies schematisch durch das gestrichelte Kästchen 330 angedeutet, das diese anderen Steuerungen bzw. Regelungen symbolisieren soll. Bei einer Vollbremsung kann es sinnvoll sein, diese anderen Komponenten 330 qualitativ über das Vorliegen einer kritischen Querbeschleunigung zu informieren und bei diesen
anderen Komponenten eine Veränderung der Regelstrategie zu veranlassen. Dadurch können die weitreichenden Funktionen dieser Komponenten genutzt werden. Beispielsweise können die anderen Komponenten dazu veranlaßt werden, innerhalb ihrer Regelungsstrategien eine "Druckschere" dahingehend aufzubauen, daß der Übersteuer-tendenz aufgrund einer Abbremsung (rotatorische Trägheit des abgebremsten Fahrzeugs um die Hochachse) ein entgegenwirkendes Moment zugeführt wird, beispielsweise durch höheren Druckaufbau kurvenaußen. Diese Überlegungen gelten im übrigen auch dann, wenn eine Teilbremsung oder gar keine Bremsung vorliegt. Insofern kann es wünschenswert sein, qualitativ weiteren Komponenten 330 der Bremsenregelung das Vorliegen der kritischen Situation über ein Signal 312 mitzuteilen, so daß diese Komponenten ihre Strategien geeignet modifizieren können. Die Beeinflussungsvorrichtung kann dann dahingehend verstanden werden, daß nicht unmittelbare Eingriffe an den Bremsdrücken bzw. Motormomenten vorgenommen werden, sondern daß beispielsweise Sollwerte oder Schwellenwerte anderer Komponenten zur Regelung der Bremse oder des Motors beeinflußt werden.
Sofern unmittelbare Bremsdruckbeeinflussungen durch die Beeinflussungsvorrichtung vorgesehen sind, kann es unter dem Aspekt der Sicherheit und des Vermeidens von anderweitig störenden Eingriffen a priori wünschenswert sein, achsweise symmetrische Eingriffe vorzunehmen, d.h. Bremsdrücke beispielsweise ohne Druckunterschied gleichmäßig links und rechts aufzubauen. Mit Hilfe der nachgeschalteten Komponenten 330 wird durch Abbau eines (aktiven) Giermomentes ein Untersteuern erzeugt und dadurch die Querbeschleunigung abgebaut.
Um einen Druckaufbau zur Reduzierung der Querbeschleunigung auch dann veranlassen zu können, wenn der Fahrer nicht bremst, sollte die Bremsanlage mit einem aktiven Bremskraftverstärker oder mit einer Hydraulikpumpe gegebenenfalls mit Trennventilen ausgestattet sein.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als Flußdiagramm. In Schritt 501 werden die Radgeschwindigkeiten vl bis v4 (entsprechend Signalen lila bis 114a) empfangen und korrigiert. Bei der Korrektur werden unterschiedliche Radradien berücksichtigt, so daß Vergleiche der für die einzelnen Räder gewonnenen Werte mit Referenzen bzw. untereinander zu richtigen Ergebnissen führen. Aus den korrigierten Werten wird die Querbeschleunigung 502 berechnet. In Schritt 503 wird sie auf einen kritischen Wert hin abgefragt. Dies entspricht dem Vorgang in den Komponenten 410 bis 412 in Fig. 4. Ist der ermittelte Wert überkritisch, wird die linke Seite des Flußdiagramms angesteuert (Schritte 505 und folgende). Ist der Wert unterkritisch, kann eine weitere Abfrage bezüglich der Radschlupfwerte erfolgen. Dies entspricht im wesentlichen den Vorgängen in den Komponenten 430 und 431 in Fig. 4. Dadurch können kritische Querbeschleunigungen erkannt werden, die sich nicht aus der obigen Abfrage ergeben. So kann beispielsweise eine große Dachlast 220 zu einer Erhöhung des Schwerpunkts S (h wird größer) führen. Der Schwellenwert in 503 wird aber ausgelegt sein für ein Fahrzeug ohne hohe Dachlast, so daß er höher gewählt sein wird. Demzufolge kann es sein, daß die Abfrage 503 zu einem unterkritischen Ergebnis führt, gleichwohl aber aufgrund stark schlupfender Innenräder (wegen der hohen Dachlast) die Abfrage 504 zu einem kritischen Ergebnis führt. Auch dann können die Schritte 505 bis 510 angesteuert werden. Das
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