DE102009002245B4 - Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug, bei dem ein tatsächliches, auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs wirkendes Ist-Reifenrückstellmoment (M) oder eine damit korrelierende Größe ermittelt und mit einem Referenzreifenrückstellmoment (M) oder einer damit korrelierenden Größe verglichen wird, wobei der Ermittlung des Reibwerts (µ) das Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment (M) bzw. der damit korrelierenden Größe zu Referenzreifenrückstellmoment (M) bzw. der damit korrelierenden Größe zugrunde gelegt wird und dass der Reibwert (µ) gemäß der Beziehungbestimmt wird, wobei mitfeine Umrechnungsfunktion bezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet,dass das Ist-Reifenrückstellmoment (M) aus einer aktuellen Zahnstangenkraft (F) berechnet wird, die in einer Zahnstange eines Lenksystems des Fahrzeugs wirkt:wobei feine Funktion zur Berücksichtigung der Spurstangengeometrie von der Zahnstange auf den Radanlenkungspunkt eines gelenkten Fahrzeugrades bezeichnet und vom Zahnstangenweg abhängt.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug.
- In der
DE 10 2006 036 751 A1 wird ein Verfahren zur Schätzung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug beschrieben. Hierzu wird die Seitenführungskraft an einem Reifen des Fahrzeugs aus einem vorgegebenen, kinematischen Zusammenhang als Funktion einer Zahnstangenkraft ermittelt, die in einer Zahnstange des Lenksystems wirkt und als Funktion der im Lenksystem vorhandenen Momente berechnet werden kann. Die Lenkmomente stellen ein Maß für die aktuellen Reibwerte an den Reifen dar und können mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. - Die
DE 103 37 086 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Berechnung eines Rückstellmoment-Referenzwertes, die/das einen Rückstellmoment-Referenzwert abschätzt, welcher als Referenz zur Abschätzung des Reibungszustandes einer Straßenoberfläche verwendet wird, und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abschätzung des Reibungszustandes einer Straßenoberfläche. - Die
US 2004 00 19 417 offenbart eine Vorrichtung zur Schätzung eines Reifenhaftfaktors. Die Vorrichtung umfasst eine Einheit zur Ermittlung eines Lenkungsfaktors, wobei die Lenkungsfaktoren zurückgehend auf wenigstens eines von Lenkungsmoment oder Lenkleistung ermittelt werden. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches und mit hinreichender Genauigkeit durchzuführendes Verfahren zur Ermittlung des Reibwertes zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug anzugeben.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Reibwerte zwischen den Reifen eines Fahrzeugs und der Fahrbahn ermittelt werden, indem ein auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs wirkendes Ist-Reifenrückstellmoment ermittelt und mit einem Referenzreifenrückstellmoment verglichen wird. Aus dem Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment und Referenzreifenrückstellmoment kann auf den gesuchten Reibwert geschlossen werden.
- Bei dieser Vorgehensweise kann das Referenzreifenrückstellmoment aus einem mathematischen Referenzmodell berechnet werden, bei dem ein Reibwert zugrunde gelegt wird, dessen Höhe bekannt ist. Beispielsweise kann ein Hochreibwert zugrunde gelegt werden, der mindestens 0.8, beispielsweise 0.9 beträgt. Grundsätzlich können aber in dem Referenzmodell Reibwerte beliebiger Höhe verwendet werden, unter anderem auch niedrigere Reibwerte, die beispielsweise kleiner als 0.5 sind.
- Aus dem Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment zu Referenzreifenrückstellmoment, welches für einen bestimmten Reibwert ermittelt wurde, kann auf den aktuellen Reibwert geschlossen werden. So wird beispielsweise im Falle eines niedrigeren, tatsächlichen Reibwertes zwischen Reifen und Fahrbahn auch ein kleinerer Wert für das Ist-Reifenrückstellmoment auf sensorische oder rechnerische Weise ermittelt werden, wobei die Diskrepanz zwischen den Werten für das Ist-Reifenrückstellmoment und das Referenz-Reifenrückstellmoment die Berechnung des gesuchten Reibwertes erlaubt.
- Zweckmäßigerweise wird das Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment zu Referenzreifenrückstellmoment gebildet, wobei die Umrechnung in den tatsächlich wirkenden Reibwert mithilfe einer Funktion durchgeführt wird, mit der der Verhältniswert der Momente multipliziert wird. Diese Funktion ist entweder, in der einfachsten Ausführungsvariante, eine Konstante, oder aber ihrerseits abhängig von weiteren Zustandsgrößen im Fahrzeug, insbesondere längs- und/oder querdynamischen Zustandsgrößen.
- Alternativ zur Verhältniswertbildung von Ist-Reifenrückstellmoment zu Referenzreifenrückstellmoment kann auch die Differenz dieser Momente für die Berechnung des tatsächlichen Reibwerts herangezogen werden. In diesem Fall wird der Referenzwert in einer entsprechend angepassten Funktion in den gesuchten Reibwert umgerechnet.
- Möglich ist desweiteren die Berücksichtigung verschiedener Referenzmodelle mit unterschiedlich hohen Reibwerten, aus denen jeweils ein Referenzreifenrückstellmoment berechnet wird, welches über das Bilden des Verhältnisses mit dem Ist-Reifenrückstellmoment der Berechnung des tatsächlichen Reibwerts zugrunde gelegt wird. Aus der Mehrzahl der auf diese Weise ermittelten Reibwerte kann ein gemittelter tatsächlicher Reibwert berechnet werden.
- Die Ermittlung des tatsächlich wirkenden Ist-Reifenrückstellmoments wird gemäß bevorzugter Ausführung aus der Zahnstangenkraft ermittelt, die aktuell in einer Zahnstange des Lenksystems wirksam ist. Die Zahnstangenkraft kann entweder sensorisch oder rechnerisch bestimmt werden. Zur Umrechnung wird die Zahnstangenkraft mit einer Funktion gewichtet, welche die Spurstangengeometrie von der Zahnstange auf den Radanlenkungspunkt an einem der gelenkten Fahrzeugräder berücksichtigt und die vom Zahnstangenweg abhängt. Der Zahnstangenweg wird entweder aus dem Lenkradwinkel bestimmt, der gemessen oder rechnerisch ermittelt werden kann, oder, im Falle eines elektrischen Servomotors zur Lenkkraftunterstützung (EPS - Electric Power Steering) aus der Rotorposition des Servomotors, die berechnet oder gemessen werden kann. Die Zahnstangenkraft kann außerdem auch von der Radlast bzw. dem aktuellen Beladungszustand des Fahrzeugs abhängen, was zweckmäßigerweise über die Funktion erfasst wird, mit der die Zahnstangenkraft gewichtet wird.
- Die Berechnung der Zahnstangenkraft erfolgt vorzugsweise für den Fall, dass das Lenksystem mit einem elektrischen Servomotor zur Lenkkraftunterstützung ausgestattet ist. Als Sensorik sind in diesem Fall Mittel zur Erfassung der Rotorposition des Servomotors sowie Mittel zur Erfassung des Handmoments erforderlich. Des Weiteren wird die Information über das aktuell eingespeiste Motormoment benötigt, was aus den Phasenströmen des Servomotors berechnet werden kann, weiche messbar sind. Grundsätzlich kann das Motormoment auch in rechnerischer Weise ermittelt werden. Mithilfe der vorgenannten Informationen ist eine rechnerische Schätzung der Zahnstangenkraft möglich.
- Grundsätzlich kann aber, wie vorbeschrieben, die Zahnstangenkraft auch sensorisch ermittelt werden, was auch in Lenksystemen durchgeführt werden kann, die als Lenkkraftunterstützungseinrichtung keinen elektrischen Servomotor, sondern eine sonstige Antriebseinheit wie beispielsweise ein hydraulisches Stellglied aufweisen.
- Gegebenenfalls wird der Zahnstangenweg aus dem Ritzelwinkel bestimmt, der in einem Lenkgetriebe zur Umsetzung der Lenkbewegung der Lenkwelle auf ein Lenkgestänge wirkt und der aus dem gemessenen Lenkradwinkel bestimmt oder unmittelbar gemessen wird. Bei Vorhandensein eines elektrischen Servomotors kann der Ritzelwinkel auch aus der Rotorposition bestimmt werden.
- Das Referenzreifenrückstellmoment wird bevorzugt aus einem mathematischen Referenzmodell in Abhängigkeit der Seitenführungskraft an den gelenkten Rädern berechnet. Die Umrechnung der Seitenführungskraft in das Referenzreifenrückstellmoment erfolgt über eine Funktion, die den Nachlauf des Reifens am gelenkten Fahrzeugrad berücksichtigt. Diese Funktion hängt des Weiteren von einer oder mehreren Zustandsgrößen ab, beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Gierrate, dem Radlenkwinkel und/oder dem Schwimmwinkel ab, wobei diese Zustandsgrößen entweder direkt gemessen oder aus Messgrößen abgeleitet werden. Die Seitenführungskraft wird bevorzugt aus einem Reifenmodell als Funktion des Schräglaufwinkels am gelenkten Fahrzeugrad berechnet, wobei die Umrechnung zwischen Schräglaufwinkel und Seitenführungskraft mithilfe einer weiteren Funktion erfolgt, welche die Reifeneigenschaften beschreibt und von einer oder mehreren Zustandsgrößen abhängt, beispielsweise der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Gierrate, der Querbeschleunigung, dem Radlenkwinkel, dem Schwimmwinkel und/oder der Lenkgeschwindigkeit In dem Reifenmodell wird ein Reibwert angesetzt, dessen Höhe vorgegeben wird und der insbesondere als Hochreibwert in der Größenordnung von mindestens 0.8 vorliegt. Auf Grund dieses hoch angesetzten Reibwerts wird in dem mathematischen Referenzmodell ein verhältnismäßig hoher Wert des Referenzreifenrückstellmoments ermittelt, was für den Fall, dass der tatsächliche Reibwert niedriger liegt, zu einem entsprechend geringeren Ist-Reifenrückstellmoment führt.
- Zur Ermittlung des Reibwerts können anstelle von Ist-Reifenrückstellmoment und Referenz-Reifenrückstellmoment auch damit korrelierende Größen betrachtet werden, insbesondere die mit diesen Momenten korrespondierenden Kräfte, zum Beispiel bei dem Ist-Reifenrückstellmoment die Zahnstangenkraft und bei dem Referenz-Reifenrückstellmoment die Seitenführungskraft. Der Ermittlung des Reibwerts wird in diesem Fall das Verhältnis von Zahnstangenkraft zu Seitenführungskraft zugrunde gelegt.
- Die Schätzung des Reibwerts kann auch in Fahrzuständen ausgeführt werden, in denen sich das Fahrzeug nicht in einem fahrdynamischen Grenzbereich befindet, sondern in einer Normalsituation. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Ereignisse, in denen der Reibwert ermittelt werden kann, erheblich größer ist und dass die Reibwertschätzung genauer durchgeführt werden kann. Bei Kenntnis des Reibwerts können insbesondere Fahrerassistenzfunktionen im Fahrzeug an die aktuelle Fahrsituation angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, für den Fall eines plötzlich kleiner werdenden Reibwerts, beispielsweise auf Schnee oder Eis, einen Eingriff eines Fahrerassistenzsystems bereits in einem frühen Stadium durchzuführen und hierdurch die Fahrsicherheit zu erhöhen.
- Als Fahrerassistenzsystem kommt beispielsweise ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) in Betracht, darüber hinaus aber auch Antiblockiersysteme (ABS), Antriebsschlupfregelsysteme (ASR) oder ggf. auch aktive Fahrwerkssysteme (Active Body Control - ABC).
- Des Weiteren ist es möglich, das Lenkgefühl in Abhängigkeit des Reibwertes einzustellen, um dem Fahrer auf haptische Weise Informationen im Hinblick auf den Kontakt zwischen Reifen und Fahrbahn in einer für den Fahrer deutlicheren, besser verständlichen Weise zu vermitteln.
- In Fahrzeugen, die über ein ESP-System sowie zusätzlich über einen elektrischen Servomotor (EPS-System) verfügen, ist die in diesen Systemen vorhandene Sensorik grundsätzlich ausreichend, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Reibwertschätzung durchzuführen. Darüber hinaus ist keine weitergehende Sensorik erforderlich.
- Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug, mit einem elektrischen Servomotor zur Bereitstellung eines Unterstützungsmoments im Lenksystem, -
2 ein Ablaufdiagramm mit einzelnen Verfahrensschritten zur Durchführung des - Das in
1 dargestellte Lenksystem1 in einem Kraftfahrzeug umfasst als Lenkhandhabe ein Lenkrad2 , eine Lenkwelle3 , ein Lenkgetriebe4 , ein Lenkgestänge5 sowie lenkbare Vorderräder6 . Das Lenksystem1 umfasst zur Lenkkraftunterstützung einen elektrischen Servomotor7 (EPS-System - Electric Power Steering), dessen Unterstützungsmoment in das Lenkgetriebe4 eingespeist wird. Zur Umsetzung einer Lenkbewegung gibt der Fahrer über das Lenkrad2 einen LenkradwinkelδL vor, der über das Lenkgetriebe4 , dessen Lenkübersetzung bekannt ist, in einen Radlenkwinkelδv an den lenkbaren Vorderrädern6 umgesetzt wird. - Das Lenksystem
1 ist ggf. mit einem Überlagerungslenkgetriebe ausgestattet, über das unabhängig vom Fahrer ein Zusatzlenkwinkel vorgegeben werden kann, um Einfluss auf das Lenkverhalten zu nehmen. Der Zusatzlenkwinkel wird dem LenkradwinkelδL überlagert. - Zur Durchführung des Verfahrens zur Schätzung des Reibwerts
µ zwischen einem Reifen des Fahrzeugs und der Fahrbahn werden zunächst mithilfe der fahrzeugeigenen Sensorik verschiedene Zustandsgrößen gemessen bzw. die Zustandsgrößen aus Messgrößen rechnerisch ermittelt. Wie dem Verfahrensschritt V1 gemäß2 zu entnehmen, werden die Fahrzeuglängsgeschwindigkeitvx , die Gierrateψ̇ , die Querbeschleunigungay und der LenkradwinkelδL gemessen. Darüber hinaus wird zweckmäßigerweise auch das Lenkmoment sowie die Rotorlageposition des elektrischen Servomotors gemessen. - Im folgenden Verfahrensschritt V2 wird die Seitenführungskraft
Fy durch Multiplikation einer Funktionfα mit dem Schräglaufwinkel α berechnet. Die Funktionfα beschreibt Reifeneigenschaften und hängt von der Fahrzeuggeschwindigkeitvx , der Gierrateψ̇ , der Querbeschleunigungay , dem Radlenkwinkelδv , dem Schwimmwinkelβ und der Lenkgeschwindigkeit δ̇̇̇L ab. Diese Zustandsgrößen werden entweder unmittelbar gemessen oder aus gemessenen Größen rechnerisch ermittelt. - Im nächsten Verfahrensschritt V3 wird aus einem mathematischen Referenzmodell ein Referenzreifenrückstellmoment
Mz,ref durch Multiplikation der zuvor ermittelten SeitenführungskraftFy mit einer Funktionfy berechnet, wobei die Funktionfy den Nachlauf des Reifens berücksichtigt und von der Fahrzeuggeschwindigkeitvx , der Gierrateψ̇ , dem Radlenkwinkelδv und dem Schwimmwinkelβ abhängt. Gegebenenfalls hängt die Seitenführungskraft auch von der Radlast bzw. vom Beladungszustand des Fahrzeugs ab, was über die Funktionfy erfasst werden kann. - Im Verfahrensschritt V4 wird die aktuell wirkende Zahnstangenkraft
Fz im Lenksystem ermittelt. Dies kann entweder durch Messung erfolgen oder in rechnerischer Weise durchgeführt werden. - Zur Berechnung des tatsächlich wirkenden Ist-Reifenrückstellmomentes
Mz,ist gemäß Verfahrensschritt V5 ist noch die Kenntnis einer Funktionfz erforderlich, mit der die Spurstangengeometrie von der Zahnstange auf den Radanlenkungspunkt eines gelenkten Fahrzeugrades berücksichtigt werden kann. Die Funktionfz hängt vom Zahnstangenweg ab, welcher entweder aus dem Lenkradwinkel bestimmt wird oder aus der aktuellen Rotorposition des elektrischen Servomotors. Alternativ kann der Zahnstangenweg auch direkt gemessen werden. - Das Ist-Reifenrückstellmoment
Mz,ist wird durch Multiplikation der Funktionfz mit der ZahnstangenkraftFz berechnet. Anschließend kann im folgenden Verfahrensschritt V6 der aktuelle Reibwert rechnerisch aus dem Verhältnis von Ist-ReifenrückstellmomentMz,ist durch ReferenzreichenrückstellmomentMz,ref berechnet werden, wobei zur Umrechnung in den Reibwert eine Funktionfµ multiplikativ berücksichtigt wird, welche in einer einfachen Ausführung eine Konstante darstellt Gegebenenfalls kann die Funktionfµ aber auch von Zustandsgrößen im Fahrzeug abhängen. - Sämtliche Funktionen im vorgeschriebenen Verfahren liegen vorzugsweise in Form von Kennfeldern vor. Grundsätzlich ist aber auch ein Formelzusammenhang möglich. In beiden Fällen sind die Funktionen in einem Regel- bzw. Steuergerät hinterlegt, in welchem das gesamte Verfahren abläuft.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenkwelle
- 4
- Überlagerungsgetriebe
- 5
- Stellmotor
- 6
- Lenkgetriebe
- 7
- Lenkgestänge
- 8
- Vorderrad
- 9
- Lenkkraftunterstützungseinrichtung
- µ
- Reibwert
- Mz,ist
- Ist-Reifenrückstellmoment
- Mz,ref
- Referenzreifenrückstellmoment
- fµ,
- Funktion
- fz
- Funktion
- fy
- Funktion
- fα
- Funktion
- Fz
- Zahnstangenkraft
- Fy
- Seitenführungskraft
- δL
- Lenkradwinkel
- δ̇̇L
- Lenkgeschwindigkeit
- vx
- Fahrzeuggeschwindigkeit
- ψ̇
- Gierrate
- ay
- Querbeschleunigung
- δv
- Radlenkwinkel
- β
- Schwimmwinkel
Claims (14)
- Verfahren zur Ermittlung des Reibwerts zwischen Reifen und Fahrbahn in einem Fahrzeug, bei dem ein tatsächliches, auf die lenkbaren Räder des Fahrzeugs wirkendes Ist-Reifenrückstellmoment (Mz,ist) oder eine damit korrelierende Größe ermittelt und mit einem Referenzreifenrückstellmoment (Mz,ref) oder einer damit korrelierenden Größe verglichen wird, wobei der Ermittlung des Reibwerts (µ) das Verhältnis von Ist-Reifenrückstellmoment (Mz,ist) bzw. der damit korrelierenden Größe zu Referenzreifenrückstellmoment (Mz,ref) bzw. der damit korrelierenden Größe zugrunde gelegt wird und dass der Reibwert (µ) gemäß der Beziehung
bestimmt wird, wobei mit fµ eine Umrechnungsfunktion bezeichnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ist-Reifenrückstellmoment (Mz,ist) aus einer aktuellen Zahnstangenkraft (Fz) berechnet wird, die in einer Zahnstange eines Lenksystems des Fahrzeugs wirkt: wobei fz eine Funktion zur Berücksichtigung der Spurstangengeometrie von der Zahnstange auf den Radanlenkungspunkt eines gelenkten Fahrzeugrades bezeichnet und vom Zahnstangenweg abhängt. - Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnstangenweg aus dem Lenkradwinkel (δL) bestimmt wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnstangenweg aus der Rotorposition eines elektrischen Servomotors des Lenksystems ermittelt wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenkraft (Fz) sensorisch ermittelt wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnstangenkraft (Fz) rechnerisch ermittelt wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 6 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass dem Referenzmodell zur Ermittlung der Referenzreifenrückstellmoment (Mz,ref) ein Reibwert zugrunde liegt, dessen Wert bekannt ist. - Verfahren nach
Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, dass der dem Referenzmodell zugrunde liegende Reibwert einen Wert von mindestens 0.8 besitzt, vorzugsweise 0.9. - Regel- bzw. Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis11 . - Lenksystem mit einem Regel- bzw. Steuergerät nach
Anspruch 12 . - Lenksystem nach
Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem zur Lenkkraftunterstützung einen elektrischen Servomotor (EPS) aufweist.
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