DE102020111520B3 - Method and device for determining the coefficient of friction between a vehicle wheel and the roadway - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen des Reibwertes zwischen einem Fahrzeugrad und der Fahrbahn bereitgestellt, aufweisend die Schritte: Verringern einer auf ein erstes Fahrzeugrad wirkenden Radlast; Einstellen eines ersten Spurwinkels an dem ersten Fahrzeugrad und eines zweiten Spurwinkels an einem an der gleichen Fahrzeugradachse gelagerten zweiten Fahrzeugrad derart, dass der erste Spurwinkel größer ist als der zweite Spurwinkel, und dass eine von dem ersten Fahrzeugrad ausgeübte Seitenkraft eine von dem zweiten Fahrzeugrad ausgeübte Seitenkraft aufhebt; Ermitteln eines vorläufigen Reibwertes zwischen dem ersten Fahrzeugrad und der Fahrbahn aus dem Quotienten der Radlängskraft und der verringerten Radlast, wobei der Reibwert dem maximalen Reibungskoeffizienten entspricht; und Berechnen eines Reibwertes zwischen dem ersten Fahrzeugrad und der Fahrbahn aus dem Quotienten der Radlängskraft und der im Normalzustand an dem ersten Fahrzeugrad anliegenden Radlast auf Basis des vorläufigen Reibwertes.A method is provided for determining the coefficient of friction between a vehicle wheel and the roadway, comprising the steps: reducing a wheel load acting on a first vehicle wheel; Setting a first toe angle on the first vehicle wheel and a second toe angle on a second vehicle wheel mounted on the same vehicle wheel axle such that the first toe angle is greater than the second toe angle and that a lateral force exerted by the first vehicle wheel is a lateral force exerted by the second vehicle wheel cancels; Determining a preliminary coefficient of friction between the first vehicle wheel and the roadway from the quotient of the longitudinal wheel force and the reduced wheel load, the coefficient of friction corresponding to the maximum coefficient of friction; and calculating a coefficient of friction between the first vehicle wheel and the road surface from the quotient of the longitudinal wheel force and the wheel load applied to the first vehicle wheel in the normal state on the basis of the preliminary coefficient of friction.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Reibwertes zwischen einem Fahrzeugrad und der Fahrbahn, auf der sich das Fahrzeug bewegt.The present invention relates to a device and a method for determining a coefficient of friction between a vehicle wheel and the roadway on which the vehicle is moving.
Der Reibwert bzw. Reibungskoeffizient zwischen Fahrbahn und Reifen stellt eine wichtige Größe für den Fahrbetrieb eines Fahrzeugs dar. Eine Bestimmung oder zumindest eine möglichst exakte Schätzung dieser Größe ist von Vorteil, insbesondere für autonom betriebene Fahrzeuge. Beispielsweise ist die genaue Kenntnis des Reibwertes für aktive Fahrstabilitätssysteme in Fahrzeugen von großer Bedeutung und wird für eine optimale Ausführung von elektronischen Stabilitätsprogrammen benötigt. Der maximal erreichbare Reibwert ist aus Sicht eines Fahrzeugs ein relativ schwierig zu messender und zudem ein sich mitunter in Abhängigkeit von der Art der Fahrbahn stark verändernder Parameter. Sein Wert hängt maßgeblich von der Beschaffenheit der Oberfläche ab, auf der sich das Fahrzeug bewegt, und wird meist geschätzt. Eine innerhalb der Stabilitätsprogramme vorgenommene Schätzung des Reibwerts kann jedoch nur relativ selten einen zuverlässigen Wert liefern, nämlich bei hohen Reibschlupfwerten, welche bei einem Brems- oder Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs auftreten. In diesen hochdynamischen Phasen werden der Reibungskoeffizient und das Schlupfverhältnis ermittelt, um daraus eine Aussage über den maximalen Reibwert zu erhalten.The coefficient of friction or coefficient of friction between the roadway and the tire is an important variable for the driving operation of a vehicle. A determination or at least an estimate of this variable which is as precise as possible is advantageous, in particular for autonomously operated vehicles. For example, precise knowledge of the coefficient of friction is of great importance for active driving stability systems in vehicles and is required for optimal execution of electronic stability programs. From the point of view of a vehicle, the maximum achievable coefficient of friction is a parameter that is relatively difficult to measure and also a parameter that changes significantly depending on the type of roadway. Its value depends largely on the nature of the surface on which the vehicle is moving and is mostly estimated. An estimate of the coefficient of friction carried out within the stability programs can, however, only relatively seldom provide a reliable value, namely in the case of high friction slip values which occur when the vehicle is braking or accelerating. In these highly dynamic phases, the coefficient of friction and the slip ratio are determined in order to obtain information about the maximum coefficient of friction.
Aufgrund der Tatsache, dass ein Fahrzeug im Straßenverkehr üblicherweise nicht im Bereich kinematischer Grenzwerte, etwa im Bereich des maximalen Reibungskoeffizienten, betrieben wird, werden anhand der Messwerte relativ niedrige Reibungskoeffizienten ermittelt, die deutlich unterhalb des tatsächlichen Reibwertes liegen. Der maximale Reibungskoeffizient wird dann anhand des Verlaufs der ⌷-Kurve ermittelt, welche die Beziehung zwischen Schlupf und Reibwert beschreibt. Um einen möglichst genauen Schätzwert zu erhalten, wäre es von Vorteil, mit Messwerten zu arbeiten, die möglichst nahe am tatsächlichen maximalen Reibungskoeffizienten liegen. Dieses ist jedoch selten der Fall, da, wie bereits erwähnt, Kraftfahrzuge im Straßenverkehr üblicherweise nicht in den Bereich hoher Reibungskoeffizienten vordringen. Daher sich die Reibwerte, die auf Basis solcher Schätzungen ermittelt werden, oft nicht genau genug.Due to the fact that a vehicle in road traffic is usually not operated in the range of kinematic limit values, for example in the range of the maximum coefficient of friction, the measured values are used to determine relatively low coefficients of friction, which are well below the actual coefficient of friction. The maximum coefficient of friction is then determined using the course of the ⌷ curve, which describes the relationship between slip and coefficient of friction. In order to obtain an estimated value that is as accurate as possible, it would be advantageous to work with measured values that are as close as possible to the actual maximum coefficient of friction. However, this is seldom the case because, as already mentioned, motor vehicles in road traffic usually do not penetrate into the area of high coefficients of friction. As a result, the coefficients of friction that are determined on the basis of such estimates are often not accurate enough.
In Fahrsituationen außerhalb von starken Brems-, Beschleunigungs- und Lenkmanövern ist die Information über den Fahrbahnreibwert sehr ungenau. Es gibt daher Lösungsansätze auch in anderen Fahrsituationen eine Reibwertbestimmung durchführen zu können, um so die Verfügbarkeit von aktuellen Reibwerten für dynamische Fahrstabilitätssysteme zu erhöhen.In driving situations outside of strong braking, acceleration and steering maneuvers, the information about the road surface coefficient of friction is very imprecise. There are therefore solutions to be able to determine the coefficient of friction in other driving situations in order to increase the availability of current coefficients of friction for dynamic driving stability systems.
So kann beispielsweise bei Verfügbarkeit von radindividueller Hinterachslenkung (HAL) der Reibwert geschätzt werden, indem die Räder der Hinterachse in starke Vorspur gebracht werden. Die dabei auftretenden Seitenkräfte der Hinterräder, die so gewählt werden, dass sie sich in Summe aufheben, können auf geeignete Weise gemessen werden, um auf deren Basis den Reibwert zu ermitteln. Hierbei besteht jedoch das Problem, dass das Fahrzeug während der Messung anfällig für Instabilitäten ist. Während der Messung befindet sich die gesamte Hinterachse nahe an der Haftgrenze bzw. nahe am maximalen Reibungskoeffizienten, so dass das Fahrzeug bereits durch kleine Lenk- bzw. Ausweichmanöver instabil werden kann. Daher ist dieses Verfahren aus Sicherheitsgründen nicht zu empfehlen.For example, if rear axle steering (HAL) is available for individual wheels, the coefficient of friction can be estimated by bringing the rear axle wheels into strong toe-in. The side forces of the rear wheels that occur in this case, which are selected in such a way that they cancel each other out in total, can be measured in a suitable manner in order to determine the coefficient of friction on their basis. However, the problem here is that the vehicle is prone to instabilities during the measurement. During the measurement, the entire rear axle is close to the grip limit or close to the maximum coefficient of friction, so that the vehicle can become unstable even with small steering or evasive maneuvers. Therefore, this procedure is not recommended for security reasons.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln des Reibwertes zwischen Reifen und Straße bereitzustellen, mittels welchem bei allen Fahrzuständen der Reibwert möglichst genau bestimmt werden kann, ohne dass das Messverfahren selbst ein Sicherheitsrisiko für den Betrieb des Fahrzeugs darstellt.Against this background, the invention is based on the object of providing a method for determining the coefficient of friction between tires and road, by means of which the coefficient of friction can be determined as precisely as possible in all driving states without the measurement method itself representing a safety risk for the operation of the vehicle.
Diese Aufgabe wird mittels des Verfahrens zum Bestimmen des Reibwertes zwischen einem Fahrzeugrad und der Fahrbahn und mittels der entsprechenden Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by means of the method for determining the coefficient of friction between a vehicle wheel and the roadway and by means of the corresponding device according to the independent claims. Further preferred embodiments can be found in the dependent claims.
Es ist bekannt, dass der Reibungskoeffizient µ, auch als Kraftschluss bezeichnet, eine Funktion des Schlupfes ist. Ebenso ist die allgemeine Grundform der Kraftschluss-Schlupf-Kurve bekannt, welche zunächst linear ansteigt, dann leicht abflacht, um ein Maximum zu erreichen und dann anschließend wieder abnimmt. Für die optimale Einstellung des Fahrwerks des Fahrzeugs ist dabei stets der maximale Reibungskoeffizient µmax von Interesse, der die Stärke der maximalen Radlängskraft (auch als Radumfangskraft bezeichnet) FRL,max = µmax * Fz charakterisiert, welche kraftschlüssig auf die Fahrbahn übertragen werden kann, wobei FZ die Radlast bezeichnet, die auch als Radaufstandskraft bezeichnet wird und auf das betrachtete Fahrzeugrad einwirkt. Obgleich in der Fachliteratur die Begriffe Reibungskoeffizient und Reibwert synonym verwendet werden, wird in der folgenden Beschreibung der Begriff Reibwert für den maximalen Reibungskoeffizienten verwendet.It is known that the coefficient of friction μ, also referred to as a force fit, is a function of the slip. The general basic form of the traction-slip curve is also known, which initially increases linearly, then flattens slightly to reach a maximum and then decreases again. For the optimal setting of the chassis of the vehicle, the maximum coefficient of friction µ max is always of interest, which characterizes the strength of the maximum longitudinal wheel force (also referred to as wheel circumferential force) F RL, max = µ max * F z , which is transmitted to the road surface in a non-positive manner can, where F Z denotes the wheel load, which is also referred to as the wheel contact force and acts on the vehicle wheel under consideration. Although the terms coefficient of friction and coefficient of friction are used synonymously in the specialist literature, the term coefficient of friction is used in the following description for the maximum coefficient of friction.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Bestimmen des Reibwertes zwischen einem Fahrzeugrad und der Fahrbahn bereitgestellt. Insbesondere dient das Verfahren dazu, den momentanen Reibwert zwischen einem Fahrzeugrad und der Fahrbahn zu bestimmen. Unter dem zwischen einem Fahrzeugrad und der Fahrbahn herrschenden Reibwert ist genau genommen der Reibwert zwischen dem entsprechenden Reifen und der Fahrbahn gemeint, welcher die die fahrdynamischen Grenzen eines Fahrzeugs maßgeblich bestimmt.In various embodiments, a method for determining the coefficient of friction between a vehicle wheel and the roadway is provided. In particular, the method is used to determine the current coefficient of friction between a vehicle wheel and the roadway. Strictly speaking, the coefficient of friction between a vehicle wheel and the road surface means the coefficient of friction between the corresponding tire and the road surface, which significantly determines the dynamic limits of a vehicle.
In einem ersten Schritt weist das Verfahren ein Verringern einer auf ein erstes Fahrzeugrad wirkenden Radlast. Je nach Auslegung des Fahrzeugs und der Lage seines Schwerpunkts übernimmt dabei ein zweites Fahrzeugrad, das an der gleichen Fahrzeugradachse wie das erste Fahrzeugrad gelagert ist, einen Teil dieser Last. Anders ausgedrückt wird erfindungsgemäß die Radlastverteilung auf einer Fahrzeugradachse dahingehend verändert, dass das erste Fahrzeugrad entlastet wird und dadurch das zweite Fahrzeugrad zusätzlich belastet wird. Daher ist während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die auf das zweite Fahrzeugrad wirkende Radlast größer als die auf das erste Fahrzeugrad wirkende Radlast. Im normalen Grundzustand des Fahrzeugs sind die beiden Radlasten üblicherweise annähernd gleich groß. Bei dem ersten und zweiten Fahrzeugrad handelt es sich um Fahrzeugräder, welche an der gleichen Fahrzeugradachse gelagert sind, also um Vorder- oder Hinterräder. Im Hinblick auf die Entsprechung zwischen der Fahrzeugseite (links oder rechts) und dem ersten und zweiten Fahrzeugrad ist das Verfahren symmetrisch: Bei dem ersten Fahrzeugrad kann es sich um das linke oder das rechte Fahrzeugrad handeln, so dass es sich bei dem zweiten Fahrzeugrad entsprechend um das andere radachsgleiche Fahrzeugrad handelt.In a first step, the method includes reducing a wheel load acting on a first vehicle wheel. Depending on the design of the vehicle and the position of its center of gravity, a second vehicle wheel, which is mounted on the same vehicle wheel axle as the first vehicle wheel, takes on part of this load. In other words, according to the invention, the wheel load distribution on a vehicle wheel axle is changed in such a way that the first vehicle wheel is relieved and the second vehicle wheel is thereby additionally loaded. Therefore, while the method according to the invention is being carried out, the wheel load acting on the second vehicle wheel is greater than the wheel load acting on the first vehicle wheel. In the normal basic state of the vehicle, the two wheel loads are usually approximately the same. The first and second vehicle wheels are vehicle wheels which are mounted on the same vehicle wheel axle, that is to say front or rear wheels. With regard to the correspondence between the vehicle side (left or right) and the first and second vehicle wheels, the method is symmetrical: The first vehicle wheel can be the left or the right vehicle wheel, so that the second vehicle wheel is accordingly the other vehicle wheel with the same wheel axle is involved.
In einem weiteren Schritt weist das Verfahren ein Einstellen eines ersten Spurwinkels (auch als Schräglaufwinkel bezeichnet) an dem ersten Fahrzeugrad und eines zweiten Spurwinkels an dem zweiten Fahrzeugrad derart auf, dass zum einen der erste Spurwinkel größer als der zweite Spurwinkel ist, und dass zum anderen eine von dem ersten Fahrzeugrad ausgeübte Seitenkraft eine von dem zweiten Fahrzeugrad ausgeübte Seitenkraft aufhebt. Unter dem Einstellen des Spurwinkels kann insbesondere ein Verändern eines bereits vorhandenen Spurwinkels gemeint sein, beispielsweise eine Vergrößerung einer im Grundzustand des Fahrzeugs bestehenden Vorspur oder Nachspur.In a further step, the method includes setting a first toe angle (also referred to as a slip angle) on the first vehicle wheel and a second toe angle on the second vehicle wheel such that on the one hand the first toe angle is greater than the second toe angle and that on the other hand a side force exerted by the first vehicle wheel cancels a side force exerted by the second vehicle wheel. Setting the toe angle can in particular mean changing an already existing toe angle, for example an enlargement of a toe-in or toe-out that exists in the basic state of the vehicle.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also der erste Spurwinkel des ersten Fahrzeugrades, welches das entlastete Fahrzeugrad ist, auf mindestens einen relativ hohen Winkelwert (in Bezug auf den zweiten Spurwinkel) eingestellt, so dass das erste Fahrzeugrad in die Nähe des Reibwerts gebracht werden kann. Der zweite Spurwinkel wird hingegen auf einen relativ kleinen Winkelwert (in Bezug auf den ersten Spurwinkel) eingestellt, so dass das zweite Hinterrad bei einem relativ kleinen Reibungskoeffizienten (in Bezug auf das erste Fahrzeugrad) betrieben wird. Die individuell unterschiedlichen Einstellungen der Spurwinkel des ersten und zweiten Fahrzeugrades können im Falle einer Hinterachse mit einer radindividuellen Hinterachslenkung (HAL) bewerkstelligt werden, mittels welcher das linke und das rechte Hinterrad individuell gelenkt werden können. Die Spurwinkel der Fahrzeugräder werden erfindungsgemäß grundsätzlich gleichsinnig eingestellt, also entweder beide in Vorspur oder beide in Nachspur, jedoch mit einem jeweils unterschiedlichen Winkelwert.In the context of the method according to the invention, the first toe angle of the first vehicle wheel, which is the unloaded vehicle wheel, is set to at least one relatively high angle value (in relation to the second toe angle) so that the first vehicle wheel can be brought close to the coefficient of friction. The second toe angle, on the other hand, is set to a relatively small angle value (in relation to the first toe angle), so that the second rear wheel is operated with a relatively small coefficient of friction (in relation to the first vehicle wheel). The individually different settings of the toe angles of the first and second vehicle wheels can be achieved in the case of a rear axle with a wheel-specific rear axle steering (HAL), by means of which the left and right rear wheels can be steered individually. According to the invention, the toe angles of the vehicle wheels are basically set in the same direction, that is to say either both in toe-in or both in toe-out, but with a different angle value in each case.
Ferner werden die Spurwinkel des ersten und zweiten Fahrzeugrades derart eingestellt, dass sich insgesamt die auf die beiden Fahrzeugräder wirkenden Seitenkräfte aufheben. Unter einer auf ein Fahrzeugrad wirkenden Seitenkraft kann eine Kraftkomponente verstanden werden, welche entlang der dazugehörigen Fahrzeugradachse wirkt. Diese Kraftkomponente kann mittels geeigneter Sensoren bestimmt werden, beispielsweise mittels Dehnmesstreifen an Achsbauteilen oder über die Veränderung der Betriebsparameter von Servomotoren, etwa dem Stromverbrauch, welcher in der Achslenkung, insbesondere der Hinterachslenkung, für die Einstellung der Lenkwinkel der Fahrzeugräder verbraucht wird. Da sich in Summe die Seitenkräfte der Fahrzeugräder durch deren geeignete Einstellung aufheben, verbleibt die dazugehörige Fahrzeugradachse insgesamt weit weg vom Reibwert, so dass das Fahrzeug in einem fahrdynamisch stabilen Zustand verbleibt. Dieser fahrdynamisch stabile Zustand wird maßgeblich von dem überbelasteten Fahrzeugrad aufrechterhalten, welches die Radlastverschiebung vom ersten Fahrzeugrad weg kompensiert und bei einem sehr kleinen Reibungskoeffizienten betrieben wird.Furthermore, the toe angles of the first and second vehicle wheels are set in such a way that overall the side forces acting on the two vehicle wheels cancel each other out. A side force acting on a vehicle wheel can be understood to mean a force component which acts along the associated vehicle wheel axis. This force component can be determined by means of suitable sensors, for example by means of strain gauges on axle components or by changing the operating parameters of servomotors, such as the power consumption that is used in the axle steering, in particular the rear axle steering, for setting the steering angle of the vehicle wheels. Since, in total, the lateral forces of the vehicle wheels cancel each other out due to their suitable setting, the associated vehicle wheel axle remains far away from the coefficient of friction, so that the vehicle remains in a stable state in terms of driving dynamics. This driving dynamically stable state is largely maintained by the overloaded vehicle wheel, which compensates for the wheel load shift away from the first vehicle wheel and is operated with a very low coefficient of friction.
In einem weiteren Schritt weist das Verfahren ein Ermitteln eines vorläufigen Reibwertes zwischen dem ersten Fahrzeugrad und der Fahrbahn auf aus dem Quotienten der Radlängskraft FRL und der Radaufstandskraft Fz. Die Radlängskraft FRL kann bei einem nicht parallel zur Fahrzeuglängsachse ausgerichteten Fahrzeugrad aus der Wurzel der Summe aus einer ersten Kraftkomponente Fx zum Quadrat und einer zweiten Kraftkomponente Fy zum Quadrat ermittelt werden. Die erste Kraftkomponente Fx kann dabei der x-Kraftkomponente entsprechen, welche entlang der Längsachse des Fahrzeugs wirkt. Die erste Kraftkomponente Fx kann aus dem Anteil der Summe von kinematischen Faktoren ermittelt werden, welcher auf das entsprechende Fahrzeugrad entfällt. Die kinematischen Faktoren können die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs, die Streckensteigung bzw. die Streckenneigung, die aktuelle Bremskraftverteilung, den Fahrtwiderstand berücksichtigen. Alternativ kann die erste Kraftkomponente Fx aus dem an dem entsprechenden Fahrzeugrad anliegenden Antriebsmoment und dem Spurwinkel oder Einlenkwinkel berechnet werden. Die zweite Kraftkomponente Fy kann der y-Kraftkomponente entsprechen, welche in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Fahrzeugs wirkt und damit der bereits erwähnten Seitenkraft entspricht.In a further step, the method includes determining a preliminary coefficient of friction between the first vehicle wheel and the road surface from the quotient of the longitudinal wheel force F RL and the wheel contact force F z . The longitudinal wheel force F RL can be determined from the square root of the sum of a first force component F x squared and a second force component F y squared when the vehicle wheel is not aligned parallel to the vehicle longitudinal axis. The first force component F x can correspond to the x force component which acts along the longitudinal axis of the vehicle. The first force component F x can be determined from the portion of the sum of kinematic factors that is attributable to the corresponding vehicle wheel. The kinematic factors can take into account the longitudinal acceleration of the vehicle, the gradient or gradient, the current braking force distribution and the driving resistance. Alternatively, the first force component F x can be calculated from the drive torque applied to the corresponding vehicle wheel and the toe angle or steering angle. The second force component F y can correspond to the y force component, which acts in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the vehicle and thus corresponds to the side force already mentioned.
Aus den am ersten Fahrzeugrad wirkenden Kräften kann zu jedem eingestellten ersten Spurwinkel der momentane Reibungskoeffizient berechnet werden. Durch Abtasten des Verlaufs des Reibungskoeffizienten durch sequenzielles Einstellen unterschiedlicher erster Spurwinkel kann im Prinzip der Kraftschluss-Schlupf-Kurvenverlauf gemessen werden, woraus ein genauer vorläufiger Reibwerts ermittelt werden kann. Der Reibwert wird als vorläufig bezeichnet, da er einem nicht natürlichen Fahrzustand entspricht und in einem weiteren Schritt auf den natürlichen Fahrzustand ohne Fahrzeugradentlastung umgerechnet wird. Anders ausgedrückt wird im Rahmen des erfinderischen Verfahrens eines der Fahrzeugräder einer Fahrzeugradachse kurzzeitig entlastet und als Sonde verwendet, um die Kraftschluss-Schlupf-Kurve abzutasten, wohingegen das andere Fahrzeugrad der gleichen Fahrzeugradachse als Gegenpol wirkt und die Fahrzeugradachse fahrdynamisch stabilisiert. Dadurch verbleibt das Fahrzeug fahrdynamisch sicher und kann bei Bedarf Beschleunigungs- und/oder Lenkmanöver durchführen.The momentary coefficient of friction can be calculated from the forces acting on the first vehicle wheel for each set first toe angle. By scanning the course of the coefficient of friction by sequentially setting different first toe angles, the traction-slip curve can in principle be measured, from which a more precise preliminary coefficient of friction can be determined. The coefficient of friction is referred to as provisional because it corresponds to a non-natural driving condition and is converted in a further step to the natural driving condition without vehicle wheel relief. In other words, within the scope of the inventive method, one of the vehicle wheels of a vehicle wheel axle is briefly relieved and used as a probe to scan the traction-slip curve, whereas the other vehicle wheel of the same vehicle wheel axle acts as an opposite pole and stabilizes the vehicle wheel axle in terms of driving dynamics. As a result, the vehicle remains safe in terms of driving dynamics and can, if necessary, carry out acceleration and / or steering maneuvers.
In einem abschließenden Schritt weist das Verfahren Berechnen eines Reibwertes zwischen dem ersten Fahrzeugrad und der Fahrbahn aus dem Quotienten der Radlängskraft und der im Normalzustand am an dem ersten Fahrzeugrad anliegenden Radlast auf basierend auf dem vorläufigen Reibwert. Um aus dem auf Basis des mittels des entlasteten ersten Fahrzeugrades ermitteln vorläufigen Reibwertes den Reibwert bei normaler Radlast des ersten Fahrzeugrades und damit bei üblichen Radlastverteilung zu ermitteln, können empirisch ermittelte Korrekturfaktoren angewendet werden, welche angeben, in welchem Verhältnis, in Abhängigkeit von der Radlastreduktion, der vorläufige Reibwert zum Reibwert steht. Die Korrekturfaktoren können mittels entsprechender Messungen auf einer Prüfstandsumgebung ermittelt werden.In a final step, the method includes calculating a coefficient of friction between the first vehicle wheel and the road surface from the quotient of the longitudinal wheel force and the wheel load applied to the first vehicle wheel in the normal state based on the preliminary coefficient of friction. In order to determine the coefficient of friction with normal wheel load of the first vehicle wheel and thus with the usual wheel load distribution from the provisional coefficient of friction determined on the basis of the relieved first vehicle wheel, empirically determined correction factors can be used which indicate the ratio in which, depending on the wheel load reduction, the provisional coefficient of friction for the coefficient of friction is available. The correction factors can be determined by means of corresponding measurements on a test bench environment.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Verringern des auf das erste Fahrzeugrad wirkenden Radlast ein Verringern der Distanz zwischen dem Mittelpunkt des Fahrzeugrades und dem Fahrzeugchassis aufweisen. Das Entlasten des ersten Fahrzeugrades kann ein Anheben des ersten Fahrzeugrades mittels eines aktiven Dämpfungsgliedes durch eine entsprechende Ansteuerung durch einen aktiven Dämpfungsregler (ADR) aufweisen. Das aktive Dämpfungsglied kann folglich als Aktuator eingerichtet sein und ein vertikales Anheben des Fahrzeugrades ermöglichen, also vertikal zur Längs- und Querachse des Fahrzeugs. Die Entlastung des ersten Fahrzeugrades erfordert keine Anpassung der Längskinematik des Fahrzeugs, etwa einen Brems- oder Beschleunigungsvorgang. Insbesondere basiert die bewusst herbeigeführte Entlastung des ersten Fahrzeugrades nicht auf einer Nick- und/oder Wankbewegung des Fahrzeugs, so dass die Entlastung des ersten Fahrzeugrades durchgeführt werden kann, ohne die Antriebsmomente an den übrigen Rädern des Fahrzeugs anpassen zu müssen. Im Falle eines Fahrzeugs mit frontlastigem Schwerpunkt kann das Verfahren bevorzugt in Bezug auf die Hinterräder durchgeführt werden. Generell kann das Verfahren jedoch sowohl in Bezug auf die Vorderräder wie auch die Hinterräder eines Fahrzeugs durchgeführt werden.In a further embodiment of the method, reducing the wheel load acting on the first vehicle wheel can include reducing the distance between the center point of the vehicle wheel and the vehicle chassis. The relieving of the load on the first vehicle wheel can include a lifting of the first vehicle wheel by means of an active damping element through a corresponding control by an active damping controller (ADR). The active damping element can consequently be set up as an actuator and enable the vehicle wheel to be raised vertically, that is to say vertically to the longitudinal and transverse axes of the vehicle. Relieving the load on the first vehicle wheel does not require any adaptation of the longitudinal kinematics of the vehicle, such as braking or acceleration. In particular, the deliberately induced relief of the first vehicle wheel is not based on a pitching and / or rolling movement of the vehicle, so that the relief of the first vehicle wheel can be carried out without having to adjust the drive torques on the other wheels of the vehicle. In the case of a front-heavy vehicle The method can preferably be carried out in relation to the rear wheels. In general, however, the method can be carried out both in relation to the front wheels and the rear wheels of a vehicle.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Einstellen des ersten Spurwinkels beinhalten, dass der erste Spurwinkel, ausgehend von einem Startwert auf einen Endwert eingestellt wird. Zwischen dem Startwert und dem Endwert gibt es einen kritischen Wert, bei dem der Reibungskoeffizient maximal ist. Dieser Wert entspricht dem vorläufigen Reibwert. Der Startwert kann dem standardmäßig eingestellten ersten Spurwinkel des ersten Fahrzeugrades im Grundzustand entsprechen oder einem Wert, der darüber liegt. Das Verstellen des ersten Spurwinkels vom Startwert bis zum Endwert kann kontinuierlich oder in vorbestimmten, beispielsweise an die Steigung der Kurve adaptierten Winkelabständen erfolgen, wobei zugleich der momentane Reibungskoeffizient begleitend berechnet wird. Dadurch kann die Kraftschluss-Schlupf-Kurve abgetastet werden. Sobald der maximale Wert des Reibungskoeffizienten sicher und genau genug ermittelt worden ist, also wenn der maximale Wert erreicht worden ist und die Werte wieder kleiner werden, kann das Verfahren abgerochen werden.In a further embodiment of the method, the setting of the first toe angle can include that the first toe angle is set to an end value on the basis of a start value. Between the start value and the end value there is a critical value at which the coefficient of friction is maximum. This value corresponds to the preliminary coefficient of friction. The starting value can correspond to the standard set first toe angle of the first vehicle wheel in the basic state or to a value that is higher. The adjustment of the first toe angle from the start value to the end value can take place continuously or at predetermined angular intervals, for example adapted to the slope of the curve, with the instantaneous coefficient of friction being calculated at the same time. This allows the force-fit / slip curve to be scanned. As soon as the maximum value of the coefficient of friction has been determined reliably and precisely enough, that is, when the maximum value has been reached and the values become smaller again, the method can be sniffed out.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der zweite Spurwinkel des zweiten Fahrzeugrades derart eingestellt werden, dass das zweite Fahrzeugrad bei einem Reibungskoeffizienten betrieben wird, welcher um mindestens 50%, bevorzugt um mindestens 80%, noch weiter bevorzugt um mindestens 90% geringer ist als der im Normalzustand vorherrschende Reibwert. Dadurch wird das zweite Fahrzeugrad in einem weit weg vom Reibwert bzw. von der Haftgrenze betrieben und übt auf die dazugehörige Fahrzeugradachse eine stabilisierende Wirkung aus. Anders ausgedrückt findet im Hinblick auf die Ausnutzung des Reibungskoeffizienten am zweiten Fahrzeugrad eine geringe Ausnutzung statt (z.B. im Bereich von 10% des Reibwerts), wohingegen am ersten Fahrzeugrad eine hohe Ausnutzung stattfindet (z.B. im Bereich von 90% bis 100% des Reibwerts). Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die nahezu vollständige Ausnutzung des Reibwerts am ersten Fahrzeugrad in einem „falschen“, künstlich herbeigeführten Fahrzustand erfolgt, welcher nicht dem natürlichen Grundzustand des Fahrzeugs entspricht, bei dem die beiden betrachteten Fahrzeugräder in erster Näherung mit der gleichen Radlast beaufschlagt sind. Anders ausgedrückt wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Reibwert in einem „falschen“ Fahrzustand ermittelt, um daraus den Reibwert im „richtigen“ bzw. dem normalen Fahrzustand des Fahrzeugs zu ermitteln.In a further embodiment of the method, the second toe angle of the second vehicle wheel can be set such that the second vehicle wheel is operated at a coefficient of friction which is at least 50%, preferably at least 80%, even more preferably at least 90% lower than that prevailing coefficient of friction in the normal state. As a result, the second vehicle wheel is operated far away from the coefficient of friction or the adhesion limit and exerts a stabilizing effect on the associated vehicle wheel axle. In other words, with regard to the utilization of the coefficient of friction on the second vehicle wheel, a low utilization takes place (e.g. in the range of 10% of the coefficient of friction), whereas a high utilization takes place on the first vehicle wheel (e.g. in the range of 90% to 100% of the coefficient of friction). It should be noted, however, that the almost complete utilization of the coefficient of friction on the first vehicle wheel takes place in an "incorrect", artificially induced driving state, which does not correspond to the natural basic state of the vehicle, in which the two vehicle wheels under consideration are subjected to the same wheel load as a first approximation are. In other words, within the scope of the method according to the invention, the coefficient of friction in a “wrong” driving state is determined in order to determine the coefficient of friction in the “correct” or normal driving state of the vehicle.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der eingestellte erste Spurwinkel und der eingestellte zweite Spurwinkel gegenüber der Längsachse des Fahrzeugs entweder positiv oder negativ sein. Anders ausgedrückt kann für die Dauer der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an der entsprechenden Fahrzeugradachse insgesamt eine Vorspur oder eine Nachspur eingestellt sein, wobei sich, wie bereits erläutert, der erste Spurwinkel von dem zweiten Spurwinkel unterscheidet.In a further embodiment of the method, the set first toe angle and the set second toe angle can be either positive or negative with respect to the longitudinal axis of the vehicle. In other words, a toe-in or a toe-out can be set on the corresponding vehicle wheel axle for the duration of the implementation of the method according to the invention, the first toe angle differing from the second toe angle, as already explained.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann dieses während einer Fahrt mehrfach durchgeführt werden, wobei bei einer darauffolgenden Durchführung des Verfahrens die Fahrzeugräder hinsichtlich ihrer Rolle als erstes und zweites Fahrzeugrad bei der vorherigen Durchführung des Verfahrens getauscht werden. Durch die abwechselnde Verwendung des linken und rechten Fahrzeugrades einer entsprechenden Radachse als erstes Fahrzeugrad, das größeren Spurwinkeln ausgesetzt wird (bzw. der bereits im normalen Betrieb des Fahrzeugs eingestellte Spurwinkel vergrößert wird), kann der Verschleiß an den Fahrzeugrädern im Gleichgewicht gehalten werden.In a further embodiment of the method, this can be carried out several times during a journey, with the vehicle wheels being exchanged with regard to their role as the first and second vehicle wheel when the method is carried out before when the method is subsequently carried out. By alternately using the left and right vehicle wheel of a corresponding wheel axle as the first vehicle wheel, which is exposed to larger toe angles (or to which the toe angle already set during normal operation of the vehicle is increased), the wear on the vehicle wheels can be kept in balance.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Allgemeinen in festgelegten Zeitabständen, z.B. alle 5 Minuten, in festgelegten Streckenabständen, z.B. alle 10 km, oder aber auch situationsabhängig durchgeführt werden. Die situationsabhängige Durchführung kann beispielsweise auf Basis einer Auswertung der Umgebungsparameter erfolgen und beispielsweise durch Niederschlag (aus Regensensordaten oder Kameradaten ableitbar), Wind (aus Dynamik des Chassis ableitbar) oder andere Ereignisse dieser Art ausgelöst werden. Ferner kann die Durchführung generell bei bestehendem, aus Daten der Fahrzeugkamera abgeleitetem Verdacht ausgelöst werden, dass sich die Fahrbahnbeschaffenheit ändert. Die Fahrbahnbeschaffenheit kann beispielsweise auf Basis von Sensordaten des Fahrzeugs (z.B. Fahrzeugkamera, Schallaufnehmer im Radkasten, Regensensor), Betriebsparametern von Fahrzeugteilen (z.B. Zustandsparameter des Dämpfungssystems) und/oder navigationsgestützten Streckeninformationen ermittelt bzw. abgeschätzt werden. So Informationen aus einer Laufenden Navigation verwendet werden, um die geographische Einbettung der Strecke zu ermitteln, also um festzustellen, ob auf der Strecke beispielsweise mit Laub, Split, Unebenheiten oder Wildwechsel zu rechnen ist. Ferner kann auf Basis der navigationsgestützten Informationen verhindert werden, dass das Verfahren auf ungeeigneten Streckenabschnitten durchgeführt wird, etwa auf sehr kurvigen Strecken oder auf Strecken, deren Fahrbahneigenschaft nur über eine kurze Strecke anhält.The method according to the invention can generally be carried out at fixed time intervals, for example every 5 minutes, at fixed route intervals, for example every 10 km, or else depending on the situation. The situation-dependent implementation can take place, for example, on the basis of an evaluation of the environmental parameters and can be triggered, for example, by precipitation (can be derived from rain sensor data or camera data), wind (can be derived from the dynamics of the chassis) or other events of this type. Furthermore, the implementation can generally be triggered if there is a suspicion, derived from data from the vehicle camera, that the road surface is changing. The condition of the road surface can be determined or estimated, for example, on the basis of sensor data from the vehicle (e.g. vehicle camera, sound sensor in the wheel arch, rain sensor), operating parameters of vehicle parts (e.g. condition parameters of the damping system) and / or route information based on navigation. Information from ongoing navigation can be used to determine the geographic embedding of the route, i.e. to determine whether, for example, leaves, split, bumps or deer can be expected on the route. Furthermore, on the basis of the navigation-supported information, it can be prevented that the method is carried out on unsuitable route sections, for example on very winding routes or on routes whose roadway property only lasts for a short distance.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Durchführung des Verfahrens vorgenommen werden, wenn eine Auswertung von Umgebungsparametern des Fahrzeugs ergibt, dass ein Gefahrenpotentialschwellenwert überschritten worden ist, wobei die Umgebungsparameter Verkehrsaufkommen und/oder Witterungsbedingungen und/oder Streckenverlauf und/oder Streckenbeschaffenheit umfassen. Zur Ermittlung des Gefahrenpotentialwerts kann jedem momentan erfassten Umgebungsparameter eine Gefahrenpotenzialzahl zugeordnet werden, welche das Gefahrenpotential wiederspiegelt. Dadurch kann das Verfahren insbesondere dann ausgeführt werden, wenn in einer besonderen Gefahrenpotentiallage (z.B. mittels Fahrzeugkamera erkannter Wildwechsel in einem Waldstück, in dem die Straße ein Gefälle aufweist und wo es kurz zuvor geregnet hat) eine möglichst genaue Kenntnis des aktuellen Reibwerts von großer Bedeutung ist, um zum einen den Fahrer möglicherweise entsprechend zu warnen und zum anderen die Fahrzeugsysteme optimal an eine als kritisch eingestufte Fahrumgebung anzupassen.In a further embodiment of the method, the method can be carried out when an evaluation of environmental parameters of the vehicle shows that a hazard potential threshold value has been exceeded, the environmental parameters including traffic volume and / or weather conditions and / or route and / or route characteristics. In order to determine the hazard potential value, each currently recorded environmental parameter can be assigned a hazard potential number which reflects the hazard potential. As a result, the method can be carried out in particular when, in a particular risk potential situation (e.g. deer crossing in a wooded area where the road has a slope and where it has rained shortly before), the most accurate possible knowledge of the current coefficient of friction is of great importance On the one hand, to possibly warn the driver accordingly and, on the other hand, to optimally adapt the vehicle systems to a driving environment classified as critical.
Das Gefahrenpotential, welches etwa durch Verkehrsaufkommen, Witterungsbedingungen, Streckenverlauf usw. bestimmt sein kann, kann auch kontinuierlich überwacht werden. Die Aktivierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Abhängigkeit von dem festgestellten Gefahrenpotential erfolgen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Verfahren nicht in ungünstigen Fahrsituationen aktiviert wird, z.B. beim Einlenken in eine Kurve, und dass das Verfahren bei einer vermeidbaren Gefahrensituation nicht aktiv ist. Diese Ausführungsform kann besonders bevorzugt in autonomen Fahrzeugen zum Einsatz kommen.The hazard potential, which can be determined by the volume of traffic, weather conditions, route, etc., can also be monitored continuously. The method according to the invention can be activated as a function of the identified hazard potential. This ensures that the process is not activated in unfavorable driving situations, e.g. when turning into a curve, and that the process is not active in an avoidable dangerous situation. This embodiment can be used particularly preferably in autonomous vehicles.
Im Falle einer unvorhergesehenen Gefahrensituation während der Messung können die veränderten Spurwinkel so schnell wie möglich wieder auf den Grundzustand zurückgeführt werden und die entsprechenden Fahrzeugräder synchron dazu wieder gleich belastet werden. Dadurch wird das Fahrzeug wieder in seinen normalen Fahrzustand versetzt.In the event of an unforeseen dangerous situation during the measurement, the changed toe angles can be returned to the basic state as quickly as possible and the corresponding vehicle wheels can be loaded again synchronously. This will return the vehicle to its normal driving condition.
In weiteren Ausführungsformen wird eine Vorrichtung zum Bestimmen des Reibwertes zwischen einem Fahrzeugrad und einer Fahrbahn bereitgestellt, welche eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren in einem Fahrzeug durchzuführen. Die Vorrichtung kann in Form eines Funktionsmoduls oder Steuergeräts vorliegen, welches in die Fahrzeugelektronik eingebettet ist und mittels entsprechender Steuersignale die erforderlichen Fahrzeugeinheiten (z.B. Hinterachslenkung und aktive Dämpferelemente) so ansteuert, dass das Verfahren ausgeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, welches die besagte Vorrichtung aufweist.In further embodiments, a device for determining the coefficient of friction between a vehicle wheel and a road surface is provided, which is set up to carry out the method according to the invention in a vehicle. The device can be in the form of a functional module or control device which is embedded in the vehicle electronics and controls the required vehicle units (e.g. rear axle steering and active damper elements) by means of appropriate control signals so that the method is carried out. The invention also relates to a vehicle having said device.
Die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.
Anhand des in
Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Fahrzeuggrad entlastet. In dem gezeigten Beispiel wird das rechte Hinterrad
Aus dem während der Messung ermittelten vorläufigen Reibwerd kann anschließend unter Berücksichtigung eines entsprechenden Korrekturfaktors der tatsächliche Reibwert ermittelt werden, welcher bei einer an dem rechten Hinterrad
Es sei angemerkt, dass hier nur eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu seiner Veranschaulichung beschrieben worden ist. Das Verfahren kann auch anders ausgestaltet durchgeführt werden, indem beispielsweise auf den beiden Hinterrädern
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