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DE10356827A1 - Kippstabilisierungssystem mit Berücksichtigung des Lenkwinkels - Google Patents

Kippstabilisierungssystem mit Berücksichtigung des Lenkwinkels Download PDF

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DE10356827A1
DE10356827A1 DE10356827A DE10356827A DE10356827A1 DE 10356827 A1 DE10356827 A1 DE 10356827A1 DE 10356827 A DE10356827 A DE 10356827A DE 10356827 A DE10356827 A DE 10356827A DE 10356827 A1 DE10356827 A1 DE 10356827A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kippstabilisierung eines Fahrzeugs in einer fahrdynamisch kritischen Situation, wobei eine kippkritische Situation durch Auswertung einer Steuergröße (ayeff) erkannt und der Stabilisierungseingriff in Abhängigkeit von der Steuergröße (ayeff) aktiviert oder deaktiviert wird. Der Regeleingriff kann auch in Fahrsituationen mit relativ geringer Querbeschleunigung (ay) aufrechterhalten werden, wenn die Steuergröße (ayeff) oder eine charakteristische Eigenschaft des Stabilisierungsalgorithmus (4) als Funktion des Lenkwinkels (delta¶R¶) und der Fahrzeuggeschwindigkeit (v¶x¶) berechnet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kippstabilisierung eines Fahrzeugs in einer kritischen Fahrsituation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein entsprechendes Fahrdynamikregelungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
  • Fahrzeuge mit hohem Schwerpunkt, wie z.B. Minivans, SUVs (Sport Utility Vehicles) oder Transporter, neigen bei zu hoher Querbeschleunigung während einer Kurvenfahrt zum Kippen um die Längsachse. Bei solchen Fahrzeugen werden daher häufig Kippstabilisierungssysteme, wie z.B. ROM (Roll-Over Mitigation) eingesetzt, die das Fahrzeug in fahrdynamisch kritischen Situationen stabilisieren und die Kippbewegung des Fahrzeugs um die Längsachse verringern. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Fahrdynamikregelungssystem mit ROM-Funktion ist beispielhaft in 1 dargestellt.
  • 1 zeigt eine stark vereinfachte schematische Blockdarstellung eines bekannten ROM-Systems, das im wesentlichen ein Steuergerät 1 mit einem ROM-Regelalgorithmus, eine Sensorik 2 zum Erkennen eines kippkritischen Fahrzustandes und einen Aktuator 3 zum Durchführen eines Stabilisierungseingriffs umfasst. Erkennt das Steuergerät 1 aufgrund der Sensorsignale eine kippkritische Situation, wird z.B. mittels einer Bremsbetätigung am kurvenäußeren Vorderrad und eines Motormomenteneingriffs in den Fahrbetrieb eingegriffen. Andere Systeme greifen beispielsweise auch mittels eines aktiven Feder/Dämpfer-Systems (Normalkraftverteilungssystems) in den Fahrbetrieb ein.
  • Bei einem bekannten Kippstabilisierungssystem wird eine kippkritische Situation üblicherweise dadurch erkannt, dass eine die Querdynamik des Fahrzeugs beschreibende Größe (die im folgenden als Steuergröße bezeichnet wird) bezüglich eines Schwellenwertes überwacht wird. D.h. die Größe wird mit einem charakteristischen Wert verglichen und bei Überschreiten der Schwelle ein Stabilisierungseingriff durchgeführt. Diese Steuergröße wird üblicherweise auch zur Bestimmung der Stärke des Regeleingriffs herangezogen.
  • Die Steuergröße ist in der Regel eine Funktion der Querbeschleunigung und der zeitlichen Änderung der Querbeschleunigung des Fahrzeugs. Die Querbeschleunigung wird üblicherweise mittels eines Querbeschleunigungssensors gemessen. Das Aktivieren und Deaktivieren der Kippstabilisierungsregelung ROM ist damit an die Höhe der Querbeschleunigung des Fahrzeugs geknüpft. Dies hat folgende Nachteile: Überschreitet die Steuergröße den vorgegebenen Schwellenwert, so wird in Abhängigkeit von der Querbeschleunigung ein entsprechend starker Stabilisierungseingriff durchgeführt. Durch den Stabilisierungseingriff verringert sich die gemessene Querbeschleunigung des Fahrzeugs und damit die Steuergröße. Unterschreitet die Steuergröße eine vorgegebene Ausschaltschwelle, so wird der Stabilisierungseingriff beendet. Ist in diesem Zustand die Lenkung des Fahrzeugs weiterhin stark eingeschlagen und gleichzeitig die Geschwindigkeit hoch, so führt die Beendigung des Stabilisierungseingriffes sofort wieder in einen kippkritischen Zustand.
    •
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kippstabilisierungsverfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mittels der ein Fahrzeug dauerhaft stabilisiert werden kann, so dass das Fahrzeug nach Beendigung eines Stabilisierungseingriffs nicht sofort wieder in einen kippkritischen Zustand gelangt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 8 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, den Stabilisierungseingriff in Abhängigkeit vom Lenkwinkel und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Dies hat den Vorteil, dass der Stabilisierungseingriff bei stark eingeschlagener Lenkung und gleichzeitig hoher Fahrzeuggeschwindigkeit auch dann beibehalten wird, wenn die Querbeschleunigung kleine Werte annimmt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Stabilisierungseingriff in Abhängigkeit von einer Steuergröße aktiviert bzw. deaktiviert, die (neben anderen Größen) eine Funktion des Lenkwinkels und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit ist. Die Steuergröße repräsentiert somit eine „virtuelle Querbeschleunigung", die durch den Fahrerwunsch, d.h. durch den Lenkwinkel und die Fahrzeuggeschwindigkeit, bestimmt ist.
  • Wahlweise kann auch eine charakteristische Eigenschaft des Stabilisierungsalgorithmus, wie z.B. die Aktivierungs- bzw. Deaktivierungsschwelle in Abhängigkeit vom Lenkwinkel und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt und somit bewirkt werden, dass bei niedriger Querbeschleunigung, aber relativ großem Lenkwinkel und/oder hoher Geschwindigkeit die Kippstabilisierungsfunktion eingeschaltet bleibt.
  • Die Steuergröße ist neben den genannten Größen vorzugsweise auch eine Funktion der tatsächlichen (gemessenen) Querbe schleunigung. Die Querbeschleunigung kann z.B. mittels eines Querbeschleunigungssensors gemessen werden.
  • Die Steuergröße kann aber auch eine Funktion einer berechneten Querbeschleunigung sein, die z.B. auf der Grundlage der Ackermann-Gleichung berechnet wird. Die bekannte Ackermann-Gleichung, die aus dem in der Literatur bekannten Einspurmodell hergeleitet wird, beschreibt dabei die Giergeschwindigkeit als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Lenkwinkels. Daraus läßt sich wiederum durch einfache Multiplikation mit der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit eine „Querbeschleunigung nach Ackermann" bestimmen.
  • Die Steuergröße kann auch eine Funktion der Änderung der Querbeschleunigung oder eines anderen fahrzeugspezifischen Parameters, wie z.B. eines Lenkgradienten sein. Der Lenkgradient ist dabei eine Größe, die die Veränderung des Lenkwinkels beschreibt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine vom Lenkwinkel und der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängige Größe (ayAck) berechnet, die in die Steuergröße einfließt. Diese Größe (ayAck) wird vorzugsweise einer Puffer- bzw. Speichereinrichtung zugeführt, deren Ausgangssignal bei der Berechnung der Steuergröße berücksichtigt wird. Die Pufferbzw. Speichereinrichtung bewirkt eine kurzfristige Zwischenspeicherung der zugeführten Größe. Dies hat den Vorteil, dass bei hochdynamischen Lenkmanövern, wie z.B. Spurwechselmanövern, in denen auch eine neutrale Fahrsituation mit kleinem Lenkwinkel und damit kleinen Werten der Größe (ayAck) auftreten können, vorhergehende hohe Werte nicht sofort „vergessen" werden und somit der Stabilisierungseingriff weiter beibehalten wird.
  • Die erfindungsgemäße Puffer- bzw. Speichereinrichtung, die als Software oder Hardware ausgeführt sein kann, umfasst vorzugsweise einen Zähler, der auf einen vorgegebenen Wert gesetzt wird, wenn die zugeführte Größe (ayAck) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Unterschreitet die dem Zähler zugeführte Größe eine vorgegebene Ausschaltschwelle, so fängt der Zähler an, zurückzuzählen. Der Zählerstand kann z.B. mittels einer Kennlinie gewichtet und normiert werden. Sofern die Größe die Einschaltschwelle wieder überschreitet, wird der Zähler erneut gesetzt. Das heißt, wenn die Größe (ayAck) die Ausschaltschwelle nur kurzfristig unterschreitet, fließt der gewichtete, normierte Zählerstand weiterhin in die Berechnung der Steuergröße mit ein. Nur wenn die Größe eine vorgegebene Zeit unter die Ausschaltschwelle sinkt, fließt der aktuelle Wert der Größe in die Berechnung der Steuergröße mit ein. Im Vergleich zu einem bisher bekannten Kippstabilisierungssystem wird der Stabilisierungseingriff daher länger aufrecht erhalten.
  • Ein erfindungsgemäßes Kippstabilisierungssystem umfasst ein Steuergerät, in dem ein entsprechender Regelalgorithmus hinterlegt ist, eine Sensorik zum Erfassen aktueller Ist-Werte der Regelung und einen Aktuator zum Durchführen eines Stabilisierungseingriffes, wobei der Regelalgorithmus in Abhängigkeit von einer Steuergröße aktiviert oder deaktiviert wird. Die Steuergröße ist erfindungsgemäß eine Funktion des Lenkwinkels und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Blockdarstellung eines Kippstabilisierungssystems; und
  • 2 eine schematische Darstellung der Bildung einer Steuergröße ayeff eines Kippstabilisierungs-Algorithmus.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kippstabilisierungssystems mit einem Steuergerät 1, in dem ein Kippstabilisierungsalgorithmus 4, wie z.B. RoM (Roll-Over Mitigation), hinterlegt ist, einer Sensorik 2 zum Erkennen eines kritischen Fahrzustandes und einem Aktuator 3 zum Durchführen eines Stabilisierungseingriffes. Die Sensorik 2 umfasst die üblichen Sensoren eines Fahrdynamikregelungssystems (ESP), wie z.B. Raddrehzahlsensoren, einen Querbeschleunigungssensor, ein Gierratensensor, einen Bremsdrucksensor, einen Lenkradwinkelsensor, etc. und ist aus Gründen der Vereinfachung als ein Block 2 dargestellt. Als Aktuator kann z.B. eine Bremsanlage des Fahrzeugs oder z.B. auch ein aktives Feder/Dämpfer-System eingesetzt werden.
  • In einer kippkritischen Fahrsituation berechnet der Kippstabilisierungs-Algorithmus ROM einen Stelleingriff, mit dem die Querbeschleunigung des Fahrzeugs reduziert und somit das Fahrzeug am Umkippen gehindert wird. Der Stelleingriff erfolgt üblicherweise durch Betätigung der Radbremse am kurvenäußeren Vorderrad. Dadurch wird ein Giermoment erzeugt, das der Gierbewegung des Fahrzeugs entgegenwirkt und somit das Fahrzeug stabilisiert. Nach Erfüllen einer vorgegebenen Stabilitätsbedingung wird der Regeleingriff wieder deaktiviert.
  • Die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Stabilisierungseingriffs erfolgt in Abhängigkeit von einer Steuergröße ayeff, die wiederum eine Funktion der Querbeschleunigung ay des Fahrzeugs ist. Die Steuergröße ayeff wird in der ROM-Funktion ausgewertet und Schwellenwert überwacht. Überschreitet die Steuergröße ayeff eine vorgegebene Einschaltschwelle, so wird die Stabilisierungsregelung aktiviert; unterschreitet die Steuergröße ayeff dagegen eine vorgegebene Ausschaltschwelle, so wird die Regelung deaktiviert und damit der Regeleingriff ausgesetzt.
  • Die genaue Berechnung der Steuergröße ayeff ergibt sich aus 2. 2 zeigt eine schematische Darstellung der verschiedenen Größen, die in die Berechnung der Steuergröße ayeff einfließen. Die verschiedenen Größen werden in diesem Beispiel summiert (Summierknoten 12) und daraus die Steuergröße ayeff gebildet.
  • Die Steuergröße ist im vorliegenden Fall abhängig von der Querbeschleunigung ay des Fahrzeugs, von der Änderung der Querbeschleunigung day/dt sowie von einem oder mehreren fahrzeugspezifischen Parametern P, wie z.B. dem Lenkgradienten. Der Lenkgradient ist dabei die Änderung des absoluten Lenkwinkels.
  • Die Steuergröße ayeff ist darüber hinaus eine Funktion einer weiteren Größe – hier als Größe F bezeichnet –, die wiederum eine Funktion des Lenkwinkels δR und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit vx ist. Die Größe F kann beispielsweise durch ein geeignetes Fahrdynamikmodell berechnet werden. Hierzu bietet sich insbesondere das aus der Literatur bekannte „Einspurmodell" an, aus dem die sogenannte „Ackermann-Gleichung" hergeleitet wird. Mit dem Einspurmode1l wird eine Soll-Giergeschwindigkeit nach Ackermann berechnet, wobei gilt:
  • Figure 00070001
  • Dabei ist δR der Lenkwinkel an der Vorderachse, l der Radstand, vx die Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und vch eine charakteristische Geschwindigkeit.
  • Aus dem Einspurmodell kann auch eine „Querbeschleunigung nach Ackermann" ayAck berechnet werden, wobei gilt: ayAck = dΨSo/dt·vx.
  • Die Größe ayAck drückt diejenige Querbeschleunigung aus, die sich aufgrund des Fahrerwunsches, nämlich des Lenkwinkels δR, der Fahrzeuggeschwindigkeit und den Fahrzeugparametern bei stationärer Kreisfahrt, unter der Voraussetzung der Gültigkeit des linearen Einspurmodells, ergeben würde.
  • Die Größe ayAck könnte – gegebenenfalls normiert und auf einen vorgegebenen Wertebereich begrenzt – z.B. unmittelbar in die Berechnung der Steuergröße ayeff einfließen und z.B. am Knoten 12 zu den übrigen Größen hinzuaddiert werden. Vorteilhafter ist es jedoch, die virtuelle Querbeschleunigung ayAck einer Puffer- bzw. Speicherschaltung 10,11 zuzuführen, die insbesondere bei hochdynamischen Lenkmanövern (z.B. Spurwechselmanöver), in denen auch neutrale Phasen mit geringer Querbeschleunigung und neutraler Lenkradstellung und damit kleinen Werten ayAck vorkommen, die vorherigen hohen Werte von ayAck nicht sofort „vergißt". Ohne diese Speicherschaltung 10,11 würde der Stabilisierungseingriff bei kleinen Werten von ayAck sofort abgebrochen werden, was bei hochdynamischen Manövern nicht sinnvoll ist.
  • Die Puffer- bzw. Speichereinrichtung umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel einen in Software realisierten Zähler 10, dem die virtuelle Querbeschleunigung ayAck sowie ein weiterer fahrzeugspezifischer Parameter P2 zugeführt werden. Der Parameter ist z.B. ein Lenkgradient P2. Überschreiten die beiden Eingangsgrößen ayAck, P2 vorgegebene Schwellenwerte, wird der Zähler 10 auf einen vorgegebenen Zählerstand ZS gesetzt. In einer Fahrphase, in der die Größe ayAck oder der Parameter P eine vorgegebene Ausschaltschwelle unterschreiten, startet der Zähler und zählt rückwärts. Der Zählerstand ZS wird mittels einer Kennlinie 11 gewichtet und neu dimensioniert. Der resultierende Wert F fließt in die Berechnung der Steuergröße ayeff mit ein und wird am Knoten 12 zu den übrigen Größen ay, day/dt, P addiert. Die Kennlinie 11 ist vorzugsweise eine nichtlineare Kennlinie.
  • Wird die Einschaltschwelle aufgrund des Lenkverhaltens des Fahrers erneut überschritten, wird der Zähler 10 wieder gesetzt. Der Wert der Steuergröße ayeff ändert sich in diesem Fall nur geringfügig und die Stabilisierungsregelung 4 bleibt beibehalten. Sofern die Einschaltschwelle nicht mehr überschritten wird, zählt der Zähler 10 weiter zurück, wobei sich die Größe F entsprechend dem Zählerstand (gewichtet mit der Kennlinie 11) reduziert. Wenn der Wert F und damit die Steuergröße ayeff einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, wird die Stabilisierungsregelung 4 abgebrochen.
  • Mit der beschriebenen Puffereinrichtung 10,11 ist es daher möglich, den Stabilisierungseingriff auch während kurzfristiger neutraler Fahrzustände in hochdynamischen Manövern beizubehalten.
    • 1
    Steuergerät
    2
    Sensorik
    3
    Aktuatorik
    4
    Stabilisierungsregelalgorithmus
    10
    Zähler
    11
    Kennlinie
    12
    Addierknoten
    ayeff
    Steuergröße
    ay
    gemessene Querbeschleunigung
    day/dt
    Änderung der Querbeschleunigung
    P1, P2
    Parameter
    ayAck
    virtuelle Querbeschleunigung
    ZS
    Zählerstand
    F
    zusätzlicher Beitrag zur Steuergröße
    δR
    Lenkwinkel
    vx
    Fahrzeuggeschwindigkeit

Claims (10)

  1. Verfahren zur Kippstabilisierung eines Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen, bei dem ein Stabilisierungsalgorithmus (4) mittels einer Sensorik (2) eine kippkritische Fahrsituation erkennt und mittels eines Aktuators (3) in den Fahrbetrieb eingreift, um das Fahrzeug zu stabilisieren, wobei der Regeleingriff in Abhängigkeit von einer Steuergröße (ayeff) aktiviert bzw, deaktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (ayeff) oder eine charakteristische Eigenschaft des Stabilisierungsalgorithmus (4) eine Funktion des Lenkwinkels (δR) und/oder der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (vx) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (ayeff) als Funktion des Lenkwinkels (δR), der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (vx) und einer gemessenen Querbeschleunigung (ay) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (ayeff) eine Funktion der Änderung der Querbeschleunigung (day/dt) oder eines anderen das Fahrverhalten des Fahrzeugs kennzeichnenden Parameters (P1) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (ayeff) eine Funktion einer Querbeschleunigung (ayAck) ist, die auf Grundlage der Ackermann-Gleichung berechnet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (ayeff) basierend auf einer vom Lenkwinkel (δR) und der Fahrzeuglängsgeschwin digkeit (vx) abhängigen Größe (ayAck) berechnet wird, wobei diese Größe (ayAck) einer Puffer- bzw. Speichereinrichtung (10,11) zugeführt wird, deren Ausgangssignal (F) in die Berechnung der Steuergröße (ayeff) einfließt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung einen Zähler (10) aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zählerausgangswert (ZS) mittels einer Kennlinie (11) gewichtet wird.
  8. Fahrdynamikregelungssystem zur Kippstabilisierung eines Fahrzeugs in kritischen Fahrsituationen, umfassend ein Steuergerät (1), in dem ein Stabilisierungsalgorithmus (4) hinterlegt ist, eine Sensorik (2) zum Erfassen aktueller Ist-Werte der Regelung und einen Aktuator (3) zum Durchführen eines Stabilisierungseingriffs, wobei der Stabilisierungsalgorithmus (4) in Abhängigkeit von einer Steuergröße (ayeff) aktiviert und deaktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (ayeff) oder eine charakteristische Eigenschaft des Stabilisierungsalgorithmus (4) eine Funktion des Lenkwinkels (δR) und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (vx) ist.
  9. Fahrdynamikregelungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (ayeff) eine Funktion einer Querbeschleunigung (ayAck) ist, die aufgrund der Ackermann-Gleichung berechnet wird.
  10. Fahrdynamikregelungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße (ayeff) basierend auf einer vom Lenkwinkel (δR) und der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (vx) abhängigen Größe (ayAck) berechnet wird, wobei diese Größe einer Puffer- bzw. Speicherfunktion zugeführt wird, deren Ausgangssignal (F) in die Berechnung der Steuergröße (ayeff) einfließt.
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