WO1994018052A1 - Verfahren und vorrichtung zur verhinderung des schleuderns von fahrzeugen - Google Patents
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- WO1994018052A1 WO1994018052A1 PCT/CH1994/000016 CH9400016W WO9418052A1 WO 1994018052 A1 WO1994018052 A1 WO 1994018052A1 CH 9400016 W CH9400016 W CH 9400016W WO 9418052 A1 WO9418052 A1 WO 9418052A1
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D37/00—Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements
- B62D37/04—Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements by means of movable masses
- B62D37/06—Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements by means of movable masses using gyroscopes
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- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
- B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
- B60T8/17—Using electrical or electronic regulation means to control braking
- B60T8/1755—Brake regulation specially adapted to control the stability of the vehicle, e.g. taking into account yaw rate or transverse acceleration in a curve
Definitions
- the present invention relates to a method and a device with which the skidding of vehicles on the road can be prevented.
- vehicle can be understood to mean both a motor-driven means of transport, for example an automobile, and a non-driven means of transport, for example a towed trailer.
- Skidding is understood here not to mean a lateral drift at right angles to the direction of travel, nor a pushing with blocked wheels in the direction of travel, but an unwanted rotational movement about the vertical axis of the vehicle, which is not determined by the wheel position.
- a spin process in this sense can be triggered in various ways:
- Another cause of skidding is the more or less periodic natural vibrations of the vehicle, which are excited by random irregularities in the road.
- asymmetrical drive and braking influences can cause a skidding process.
- the spinning process has a positive feedback characteristic, that is to say that a small initial disturbance leads to a change in direction, which triggers a larger disturbance which can lead to an undamped oscillation sequence which the vehicle - especially for an experienced driver - in an uncontrollable state. It is therefore advantageous if a malfunction is eliminated as early as possible.
- ABS anti-lock braking system
- such a sprung mass can optionally be replaced by a flywheel. Due to the kinetic energy of the flywheel, the stabilizing counterforces can be generated with a smaller mass.
- Other systems have been proposed in which the interference forces are determined with respect to size and direction, for example with the aid of an accelerometer, with a servo-controlled system then being related to direction and size dosed counterforce generated.
- US 3 '90' 044 a system has been proposed in which a gyro system is used for the detection of forces acting laterally on a trailer.
- the counterforce is applied by the towing vehicle by reducing the mobility of the connection between towing vehicle and trailer, which is normally rotatable, as a function of the strength of the interference force, by means of a braking device.
- US Pat. No. 4,200,168 describes a system for stabilizing rocking movements of a vehicle, in which a detector system in the form of a physical pendulum determines the torque of a disturbance in terms of size and direction and into a pressure flow via a hydraulic amplifier Implemented, which sets a flywheel in a corresponding movement via a hydraulic motor. The acceleration of this flywheel generates a torque directed against the disturbance.
- This device is preferred for two-wheelers; in addition, a mass can be shifted simultaneously with this acceleration process in order to improve the center of gravity of the inclined vehicle.
- FR 2'606'110 uses four flywheels lying in a common plane, two of which are arranged symmetrically to the right and left of a plane perpendicular to this plane with the opposite direction of rotation, the disturbance ⁇ attack forces along this vertical plane.
- the frequency, amplitude and phase of a vibratory disturbance are analyzed and converted into an electrical signal using a computer.
- This signal is compared with signals which correspond to the speed and position of the electric motors which drive the flywheels. The difference results in a control signal which supplies each motor with a corresponding supply voltage so that the interfering torque can be compensated for by the interaction of the four flywheels.
- ABS skid behavior is already greatly improved, especially at high speeds. Speed changes on roads with reduced static friction, as is the case when braking on a wet road or on black ice. This also makes the build-up of an undamped spin vibration sequence less likely.
- the ABS is a passive system in that no active opposing forces are generated when disturbing forces occur, but only the static friction of the vehicle against the road is optimized.
- passive systems are only of limited use, especially in the case of suddenly occurring disturbances, since the disturbing forces which occur cannot be compensated for.
- FR 2 '606' 110 The disadvantage of the system described in FR 2 '606' 110 is that not all data relevant to the state of rotation of the vehicle is measured, and thus only vibrational disturbances can be analyzed and compensated for with the help of the flywheels.
- the object that is to be achieved with the present invention is to find a device and a method for preventing skidding of vehicles that actively compensate for interference forces occurring on the vehicle, including all data relevant to the rotational state of the vehicle enables, in particular even when these disturbances occur suddenly, without increasing the mass of the vehicle in any significant way.
- the analysis of the spinning process shows that the spinning is triggered by a disturbing torque acting on the vehicle, which means that the current wheel position no longer corresponds to the direction of travel. This is manifested in the fact that the effective rotational acceleration of the Fahr ⁇ zeugs not give its vertical axis with that Drehbeschleuni ⁇ supply überinstimmt which tion from the steering angle of the RAE, the vehicle speed and the timing of these two great amendments takes.
- An approximate calculation shows that the torques required to compensate for disturbances are comparatively low even in the case of a heavy vehicle and that relatively small opposing torques are sufficient to prevent the spinning process. This is a classic stability problem; Because of the positive feedback characteristics of the process, it is advantageous if the disturbance is compensated for as early as possible.
- Both the actual rotational acceleration of a vehicle about its vertical axis and the vehicle speed and the position of the steering wheel are measured with the device according to the invention.
- a target rotational acceleration can be calculated from the values of the last two sizes using a computer.
- the difference between the target and actual rotational acceleration is converted into a control signal.
- This signal is used to brake two flywheels rotating in opposite directions at high speed in the vehicle horizontal plane in such a way that the torque resulting from this braking largely compensates for the disturbing torque, as a result of which the skidding process is prevented at an early point in time after the disturbance.
- Fig. 1 Floor plan of a vehicle.
- Fig. 2 Device for generating the compensation torque ment s.
- Numbers 1-4 represent four wheels of a vehicle, wherein none or any number of these wheels can have a drive.
- only wheels 1 and 4 are steerable and represent the front wheels of a vehicle. These have a steering lock against the longitudinal axis of the vehicle, which is characterized by the angle Of. This angle o. Or a quantity proportional to it is measured with an angle measuring device 6.
- the rotation angle ⁇ which is essentially proportional to this, of a steering wheel 5 which is present in automobiles can also be measured. This can be done, for example, with the aid of a rotational speed sensor which is located on the axis of the steering wheel 5 and whose measured values are integrated over time.
- a speed sensor 7 measures the speed of a preferably non-driven wheel 4, which is proportional to the vehicle speed.
- a rotational acceleration measuring device 8 is preferably located in the vicinity of the center between the wheels 2 and 3, since the point of rotation of the movement usually lies in the center of the non-steered rear axle when the direction of the vehicle changes.
- the rotational acceleration measuring device 8 can also consist of two transverse accelerometers, one of which is attached in the front part, the other in the rear part of the vehicle.
- the actual rotational acceleration of the vehicle is measured with the rotational acceleration measuring device 8.
- a "real-time" computer 9 calculates the target rotational acceleration and the difference between target and actual rotational acceleration, which is proportional to the disturbing torque, from the measured values of the angle measuring device 6, the speed sensor 7 and the rotational acceleration measuring device 8.
- a control signal corresponding to this difference is fed from the computer 9 to a device 10 for generating a compensation torque.
- FIG. 2 shows a possible implementation of the device 10 for generating the compensation torque in the vertical section. It consists of two flywheels 12, the axes of rotation 15 of which are perpendicular to the plane of movement of the vehicle.
- the flywheels 12 are held by two motors 11, preferably electric motors, in the opposite direction 13 in the state of high-speed rotation.
- Each of the two flywheels 12 can be braked selectively by means of a braking device 14.
- the motors 11 can be used directly for braking. Other options are to use eddy current brakes or conventional mechanical brakes; the energy for braking can be taken wholly or in part from the wheel-brake support system, which is in any case present in the vehicle.
- the compensation torque required to end the spinning process can easily be calculated as follows:
- the speed of the vehicle p results from the measured values of the speed sensor 7 and the diameter of the wheel 4, which is assumed to be known, and which approximates both wheels 1 and 4 the same turning angle Q. is measured by the angle measuring device 6 and is therefore also known.
- the actual actual rotational acceleration ⁇ ⁇ , ie the temporal change of the actual actual angular velocity G ⁇ _, is measured directly by the rotational acceleration measuring device 8.
- Ip the rotational moment of inertia of the vehicle, I 0 that of a flywheel 12 and ⁇ 0 that
- the diameter of the flywheels is assumed to be 30 cm, their moment of inertia 0.5 kg m 2 ; the maximum speed is 60,000 rpm.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verhinderung des Schleuderns von Fahrzeugen mit mindestens zwei Rädern (1-4), wovon wenigstens eines (1, 4) lenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Drehbeschleunigung des Fahrzeugs um seine Hochachse mit einer Drehbeschleunigungsmessvorrichtung (8) gemessen und mit der Soll-Drehbeschleunigung verglichen wird, die mit Hilfe eines Rechners (9) aus dem Einschlagwinkel der lenkbaren Räder (1, 4) und der Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet wird. Der Einschlagwinkel wird mittels einer Winkelmessvorrichtung (6) beispielsweise an einem Steuerrad (5) gemessen. Die Geschwindigkeit wird mit einem Geschwindigkeitsaufnehmer (7) an mindestens einem der Räder (1-4) des Fahrzeugs gemessen. Die berechnete Differenz zwischen Soll- und Ist-Wert der Drehbeschleunigung wird durch die Erzeugung eines Kompensations-Drehmoments in einer Vorrichtung (10) in Echtzeit auf Null geregelt. Die Vorrichtung (10) kann beispielsweise aus zwei gegenläufig rotierenden, von Elektromotoren (11) angetriebenen Schwungrädern (12) bestehen, die gesteuert abgebremst werden, wodurch der Schleudervorgang gestoppt wird.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung des
Schleudern-? von Fahrzeugen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der das Schleudern von Fahrzeugen auf der Strasse verhindert werden kann. Unter dem Begriff Fahrzeug kann dabei sowohl ein motorisch angetriebenes Verkehrsmittel, beispielsweise ein Automobil, als auch ein nicht angetriebe¬ nes, beispielsweise ein gezogener Anhänger, verstanden wer- den. Unter Schleudern wird hier weder ein seitliches Driften, das im rechten Winkel zur Fahrtrichtung erfolgt, noch ein Schieben mit blockierten Rädern in Fahrtrichtung verstanden, sondern eine ungewollte Rotationsbewegung um die Hochachse des Fahrzeugs, die nicht durch die Radstellung vorgegeben ist.
Ein Schleudervorgangin diesem Sinne kann auf verschiedene Wei¬ sen ausgelöst werden:
Er kann durch eine gewollte Richtungsänderung des Fahrzeugs entstehen. Bei diesem Vorgang müssen die Räder Seitenkräfte auf das Fahrzeug übertragen. Wird dabei die Haftgrenze der Räder überschritten, driftet das Fahrzeug im Idealfall seit¬ lich weg. Meist wird aber in diesem Fall die Haftgrenze nicht an beiden Achsen gleichzeitig überschritten, was zu einer Drehbewegung und damit zum Schleudern des Fahrzeugs führt . Ein anderer Auslöser des Schleuderns sind plötzlich auftre¬ tende laterale Kräfte, wie sie insbesondere durch Windböen verursacht werden können .
Eine weitere Ursache des Schleuderns sind die mehr oder weni¬ ger periodischen Eigenvibrationen des Fahrzeugs, die durch zufällige Unregelmässigkeiten der Fahrbahn angeregt werden.
Weiter können asymmetrische Antriebs- und Bremseinflüsse, vor allem bei erniedrigter Haftreibung, einen Schleudervorgang verursachen . Der Schleudervorgang hat eine positive Rückkopplungscharakte- ristik, d.h. dass eine kleine Anfangsstörung zu einer Rich¬ tungsänderung führt, wodurch eine grössere Störung ausgelöst wird, die bis hin zu einer ungedämpften Schwingungsfolge füh¬ ren kann, welche das Fahrzeug - insbesondere für einen un-
geübten Fahrer - in einen unkontrollierbaren Zustand bringt. Es ist darum von Vorteil, wenn eine Störung möglichst im An¬ fangsstadium beseitigt wird.
Es sind zahlreiche Vorrichtungen zur Verhinderung des Schleu- derns vorgeschlagen worden. Eine erfolgreich in der Fahrzeug¬ technik eingeführte Vorrichtung ist das Anti-Blockier-System (ABS) . Beim ABS wird die Drehgeschwindigkeit des individuel¬ len Rades mit der Fahrzeuggeschwindigkeit verglichen, wobei ein Unterschied beider Geschwindigkeiten auf den Verlust der Haftung auf der Strasse hinweist . Ein automatisches System verändert sodann die Antriebs- oder Bremswirkung an diesem Rad, wodurch der verlorene Bodenkontakt wiederhergestellt wird. Das ABS ist insofern passiv, als es die auftretenden Störkräfte nicht mit kompensierenden Gegenkräften neutrali- sieren kann.
Andere Vorrichtungen versuchen, plötzlich auf das Fahrzeug einwirkende Störkräfte aktiv zu kompensieren. Die einfachste Form einer solche Kompensation besteht in einer leicht beweg¬ lichen Masse, welche über Federn in der bevorzugten Wirkungs- richtung einer Störung mit der Fahrzeugmasse verbunden ist. Dabei wird die Federcharakteristik so gewählt, dass bevorzugt Vibrationen in einem bestimmten Frequenzbereich kompensiert werden. So wird z.B. entsprechend US '687 '225 eine solche Masse zwischen zwei Federn beweglich in einem teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllten Gehäuse verwendet, wobei vorge¬ schlagen wird, dieses Gehäuse im Bereich der Hinterachse des Fahrzeugs anzubringen. Ein ähnlicher Vorschlag zur Dämpfung der Eigenschwingungen von Anhängern wird auch in DE 28 '07 '972 AI gemacht . Bei einem anderen Vorschlag entsprechend EP 0' 098 '657 kann eine solche gefederte Masse auch wahlweise durch ein Schwungrad ersetzt werden. Durch die kinetische Energie des Schwungrads können hier die stabilisierenden Gegenkräfte mit einer kleineren Masse erzeugt werden. Andere Systeme sind vorgeschlagen worden, bei denen die Stör¬ kräfte z.B. mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers in bezug auf Grosse und Richtung bestimmt werden, wobei ein servoge- steuertes System sodann eine in Bezug auf Richtung und Grosse
dosierte Gegenkraft erzeugt. Entsprechend US 3 '90 '044 wurde ein System vorgeschlagen, bei dem ein Kreiselsystem zur De- tektion von lateral auf einen Anhänger einwirkenden Kräften benützt wird. In diesem Fall wird die Gegenkraft durch das Zugfahrzeug aufgebracht, indem in Funktion der Stärke der Störkraft die normalerweise drehbar bewegliche Verbindung zwischen Zugfahrzeug und Anhänger in ihrer Beweglichkeit mit¬ tels einer Bremsvorrichtung gemindert wird. In US 4'200'168 wird ein System zur Stabilisierung von Schau- kelbewegungen eines Fahrzeugs beschrieben, bei dem ein Detek¬ torsystem in Gestalt eines physikalischen Pendels das Drehmo¬ ment einer Störung nach Grosse und Richtung bestimmt und über einen hydraulischen Verstärker in eine Druckströ ung umsetzt, welche ein Schwungrad über einen hydraulischen Motor in eine entsprechende Bewegung versetzt . Die Beschleunigung dieses Schwungrads erzeugt ein gegen die Störung gerichtetes Drehmo¬ ment. Diese Vorrichtung wird bevorzugt für Zweiräder empfoh¬ len; zusätzlich kann gleichzeitig mit diesem Beschleunigungs¬ vorgang eine Masse verschoben werden, um die Schwerpunktslage des geneigten Fahrzeugs zu verbessern.
Ein aufwendigeres System wird in FR 2'606'110 beschrieben, welches vier in einer gemeinsamen Ebene liegende Schwungräder benützt, von denen je zwei in symmetrischer Weise rechts und links von einer senkrecht auf dieser Ebene stehenden Ebene mit gegenläufigem Drehsinn angeordnet sind, wobei die Stör¬ kräfte längs dieser senkrechten Ebene angreifen. Mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers werden Frequenz, Amplitude und Phase einer vibratorischen Störung analysiert und über einen Rechner in ein elektrisches Signal umgewandelt . Dieses Signal wird mit Signalen verglichen, die der Geschwindigkeit und Po¬ sition der Elektromotoren entsprechen, welche die Schwungrä¬ der antreiben. Die Differenz ergibt ein Steuersignal, welches jedem Motor eine entsprechende Speisespannung liefert, sodass durch das Zusammenwirken der vier Schwungräder das störende Drehmoment kompensiert werden kann.
Das Schleuderverhalten von Fahrzeugen wird durch das ABS be¬ reits stark verbessert, insbesondere bei grossen Geschwindig-
keitsänderungen auf Strassen mit reduzierter Haftreibung, wie dies beim Bremsen auf regennasser Strasse oder auf Glatteis der Fall ist. Auch der Aufbau einer ungedämpften Schleuder¬ schwingungsfolge wird dadurch unwahrscheinlicher. Das ABS ist aber ein insofern passives System, als beim Auftreten von Störkräften keine aktiven Gegenkräfte erzeugt werden, sondern nur die Haftreibung des Fahrzeugs gegenüber der Strasse opti¬ miert wird. Solche passiven Systeme sind aber vor allem bei plötzlich auftretenden Störungen nur bedingt von Nutzen, da die auftretenden Störkräfte nicht kompensiert werden können. Der Nachteil der oben vorgestellten aktiven Systeme liegt darin, dass durch eine Zusatzmasse zur Erzeugung ausreichen¬ der Gegenkräfte das Gesamtgewicht des Fahrzeugs in ungünsti¬ ger Weise erhöht wird (US 4'687'225, DE 28'07'972 AI, EP 0'098'657) und nur periodische Störungen in einem engen Fre¬ quenzbereich kompensiert werden können, auf die diese Dämp¬ fungssysteme optimal abgestimmt sind. Die meisten dieser Vor¬ schläge beziehen sich darum auf die Verhinderung des Schleu¬ derns von Anhängern (US 3 '909 '044) oder von Zweirädern (US 4'200'168) .
Der Nachteil des in FR 2 '606 '110 beschriebenen Systems liegt darin, dass nicht alle für den Rotationszustand des Fahrzeugs relevanten Daten gemessen werden und somit nur vibratorische Störungen analysiert und mit Hilfe der Schwungräder kompen- siert werden können.
Die Aufgabe, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verhinderung des Schleuderns von Fahrzeugen zu finden, die eine aktive Kompensation von am Fahrzeug auftretenden Stör¬ kräften unter Einbezug sämtlicher für den Rotationszustand des Fahrzeugs relevanten Daten ermöglicht, insbesondere auch dann, wenn diese Störungen unvermittelt auftreten, ohne dasε damit die Masse des Fahrzeugs in nennenswerter Weise erhöht wird.
Die Lösung der Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 hinsichtlich des Verfahrens und im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 11 hinsichtlich der Vorrichtung .
Die Analyse des Schleudervorgangs zeigt, dass das Schleudern durch ein auf das Fahrzeug einwirkendes Stördrehmoment ausge- löst wird, welches dazu führt, dass die momentane Radstellung mit der Fahrtrichtung nicht mehr übereinstimmt. Dies äussert sich darin, dass die effektive Drehbeschleunigung des Fahr¬ zeugs um seine Hochachse nicht mit derjenigen Drehbeschleuni¬ gung überinstimmt, die sich aus dem Einschlagwinkel der Rä- der, der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie der zeitlichen Aende- rung dieser beiden Grossen ergeben müsste. Eine über- schlagsmässige Berechnung zeigt, dass die zur Kompensation von Störungen nötigen Drehmomente auch bei einem schweren Wa¬ gen verhältnismässig gering sind und dass relativ kleine ent- gegengerichtete Drehmomente ausreichen, um den Schleudervor¬ gang zu verhindern. Es handelt sich hier um ein klassisches Stabilitätsproblem; wegen der positiven Rückkopplungscharak¬ teristik des Vorgangs ist es von Vorteil, wenn die Störung möglichst im Anfangsstadium kompensiert wird. Im erfindungsgemässen Verfahren resp. mit der erfindungs- gemässen Vorrichtung wird sowohl die Ist-Drehbeschleunigung eines Fahrzeugs um seine Hochachse, als auch die Fahrzeugge¬ schwindigkeit und die Stellung des Steuerrads gemessen. Aus den Werten der letzten beiden Grossen lässt sich mit Hilfe eines Rechners eine Soll-Drehbeschleunigung berechnen. Die Differenz zwischen Soll- und Ist-Drehbeschleunigung wird in ein Steuersignal umgewandelt. Dieses Signal wird eingesetzt, um zwei in der Fahrzeughorizontalebene gegenläufig bei hoher Drehzahl rotierende Schwungräder so zu bremsen, dass das aus dieser Bremsung resultierende Drehmoment das Störmoment weit¬ gehend kompensiert, wodurch der Schleudervorgang zu einem frühen Zeitpunkt nach der Störung unterbunden wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Grundriss eines Fahrzeugs.
Fig. 2: Vorrichtung zur Erzeugung des Kompensationsdrehmo-
ment s .
In Fig. 1 ist der Grundriss eines Fahrzeugs wiedergegeben; Ziffern 1-4 stellen vier Räder eines Fahrzeugs dar, wobei keines oder eine beliebige Anzahl dieser Räder einen Antrieb aufweisen können. Beim Beispiel sind nur die Räder 1 und 4 lenkbar und stellen die Vorderräder eines Fahrzeugs dar. Diese weisen einen Lenkeinschlag gegen die Längsachse des Fahrzeugs auf, welcher durch den Winkel Of charakterisiert wird. Dieser Winkel o. oder eine dazu proportionale Grosse wird mit einer Winkelmessvorrichtung 6 gemessen. Anstelle der direkten Messung des Winkels Q: kann auch der dazu im Wesent¬ lichen proportionale Drehwinkel φ eines bei Automobilen ohne¬ hin vorhandenen Steuerrades 5 gemessen werden. Dies kann bei- spielsweise mit Hilfe eines Drehgeschwindigkeitsaufnehmers geschehen, der sich an der Achse des Steuerrades 5 befindet und dessen Messwerte über die Zeit integriert werden. Ein Ge¬ schwindigkeitsaufnehmer 7 misst die Drehzahl eines vorzugs¬ weise nicht angetriebenen Rades 4, welche der Fahrzeugge- schwindigkeit proportional ist. Eine Drehbeschleunigungs- messvorrichtung 8 befindet sich vorzugsweise in der Nähe der Mitte zwischen den Rädern 2 und 3, da der Drehpunkt der Bewe¬ gung bei einer Richtungsänderung des Fahrzeugs üblicherweise in der Mitte der nicht gelenkten Hinterachse liegt . Die Dreh- beschleunigungsmessvorrichtung 8 kann auch aus zwei Querbe¬ schleunigungsmessern bestehen, wovon einer im vorderen, der andere im hinteren Teil des Fahrzeugs angebracht ist . Mit der Drehbeschleunigungsmessvorrichtung 8 wird die Ist-Drehbe¬ schleunigung des Fahrzeugs gemessen. Ein "Real-Time"-Rechner 9 berechnet aus den Messwerten des Winkelmessgeräts 6, des Geschwindigkeitsaufnehmers 7 und der Drehbeschleunigungs- messvorrichtung 8 die Soll-Drehbeschleunigung sowie die Dif¬ ferenz zwischen Soll- und Ist-Drehbeschleunigung, die dem Stördrehmoment proportional ist. Ein dieser Differenz ent- sprechendes Steuersignal wird vom Rechner 9 einer Vorrichtung 10 zur Erzeugung eines Kompensations-Drehmoments zugeleitet.
Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Realisierung der Vorrichtung
10 zur Erzeugung des Kompensations-Drehmoments im Vertikal¬ schnitt . Sie besteht aus zwei Schwungrädern 12, deren Drehachsen 15 senkrecht zur Bewegungsebene des Fahrzeugs ste¬ hen. Die Schwungräder 12 werden von zwei Motoren 11, vor- zugsweise Elektromotoren, in gegenläufigem Drehsinn 13 im Zu¬ stand hochtouriger Drehung gehalten . Jedes der beiden Schwungräder 12 kann mittels je einer Bremsvorrichtung 14 se¬ lektiv abgebremst werden. Für die Bremsung können direkt die Motoren 11 verwendet werden. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, Wirbelstrombremsen oder konventionelle mechanische Bremsen einzusetzen; die Energie für die Bremsung kann dabei ganz oder teilweise dem beim Fahrzeug allenfalls ohnehin vor¬ handenen Rad-Brems-Unterstützungssystem entnommen werden. Je nach Wahl des zu bremsenden Schwungrads 12 und der Stärke der Bremsung wird ein nach Grosse und Vorzeichen bestimmtes Dreh¬ moment erzeugt. Damit kann das Stördrehmoment praktisch auf Null kompensiert werden, womit der Schleudervorgang abgebro¬ chen wird. Das oben beschriebene Verfahren und die entsprechende Vor- richtung lassen sich in analoger Weise bei einem Zweirad an¬ wenden : dazu denkt man sich die Räder 1 und 4 weg und legt den Ist-Drehbeschleunigungsmesser möglichst nah an die Achse zum Rad 3 hin .
Das zur Beendigung des Schleudervorgangs nötige Kompensati¬ onsdrehmoment lässt sich leicht wie folgt berechnen: Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs p ergibt sich sich aus den Messwerten des Geschwindigkeitsaufnehmers 7 und dem als be¬ kannt vorausgesetzten Durchmesser des Rades 4. Der bei beiden Rädern 1 und 4 angenähert gleiche Einschlagwinkel Q. wird von der Winkelmessvorrichtung 6 gemessen und ist damit ebenfalls bekannt .
Die Soll-Winkelgeschwindigkeit ωs des Fahrzeugs um seine Hochachse ergibt sich aus dem Einschlagwinkel C- der Räder, der Fahrzeuggeschwindigkeit vp und dem Radstand Lp des Fahr¬ zeugs : vF sin (00 ωs = Lp (Gl. 1)
dωi Die tatsächliche Ist-Drehbeschleunigung ~ ~~, d.h. die zeitli¬ che Aenderung der tatsächlichen Ist-Winkelgeschwindigkeit Gύ_, wird direkt durch die Drehbeschleunigungsmessvorrichtung 8 gemessen. Bezeichnet Ip das Rotationsträgheitsmoment des Fahrzeugs, I0 dasjenige einer Schwungscheibe 12 und ω0 die
Winkelgeschwindigkeit von einer der Schwungscheiben 12, er¬ gibt der Drehimpulserhaltungssatz den Zusammenhang
dωs l dvF dO. -^j- = — • [— ■ sin(α) + vF • cos (00 • —] (Gl. 3)
Das folgende Zahlenbeispiel soll zur Illustration dienen: Ein Mittelklass-Wagen hat eine Masse von ca. 1000 kg, einen Radstand von 2.6 m und ein Rotationsträgheitsmoment um die Hochachse von Ip = 1000 kg m2. Der Durchmesser der Schwungscheiben wird mit 30 cm, ihr Trägheitsmoment mit 0.5 kg m2 angenommen; die maximale Drehzahl liege bei 60 '000 U/min .
Mit diesen Annahmen ist es beispielsweise möglich, während einer Sekunde ein Korrekturdrehmoment von 3000 Nm zu erzeu- gen, womit eine Drehgeschwindigkeit des Fahrzeugs von 0.5 U/s auf Null abgebremst werden kann.
Um das Fahrzeug aus dem Stand und unter Ueberwindung der Haf¬ treibung aller vier Räder in eine Drehbewegung zu versetzen, müsste eine Scheibe in 0.2 Sekunden auf Null abgebremst wer- den. In der Praxis ist nur ein geringer Bruchteil dieses zur Verfügung stehenden Drehimpulses nötig, um die Stabilität des ins Schleudern geratenen Fahrzeugs zu erhalten. Durch eine mechanische oder elektronische Begrenzung der an den Schwungrädern angreifenden Bremskräfte kann sicherge-
stellt werden, dass das Fahrzeug bei normalen Fahrbedingungen auch bei einem fehlerhaften Eingreifen des Antischleudersy¬ stems sicher beherrschbar bleibt. Bereits durch die Dimensio- nierung der Schwungräder 12 und die Wahl ihrer Tourenzahl ist die maximal mögliche Wirkung auf den Rotationszustand des Fahrzeugs begrenzt. Die Begrenzung der Bremskräfte lässt sich leicht beispielsweise mit mechanischen Anschlägen, mit Druck¬ begrenzern in der Hydraulik oder gar mit ABS-ähnlichen Syste¬ men realisieren. Zum gleichen Zweck kann auch ein separater elektonischer Sicherheitsregelkreis eingesetzt werden, der eine Auslösung des Antischleudersystems verhindert, wenn beim Rechner fehlerhafte Daten eintreffen.
Claims
Pa-hentanSprüche
1) Verfahren zur Verhinderung des Schleuderns von Fahrzeugen mit mindestens zwei Rädern, wovon wenigstens eines lenk- bar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Ist-Drehbeschleunigung des Fahrzeugs um seine Hoch¬ achse mit einer an geeigneter Stelle angebrachten Drehbe- schleunigungsmessvorrichtung (8) gemessen wird, die Drehgeschwindigkeit mindestens eines Rades (1-4) des Fahrzeugs mit einem Geschwindigkeitsaufnehmer (7) gemes¬ sen wird, die Aenderung des Einschlagswinkels von mindestens einem lenkbaren Rad (1, 4) mit einer Winkelmessvorrichtung (6) gemessen wird, - ein Rechner (9) in Echtzeit aus den Messdaten von Winkel¬ messgerät (6) und Geschwindigkeitsaufnehmer (7) und den bekannten Fahrzeugdaten die Soll-Drehbeschleunigung des Fahrzeugs um die Hochachse berechnet, diese mit der Ist- Beschleunigung vergleicht, die sich aus den Messdaten der Drehbeschleunigungsmessvorrichtung (8) ergibt und daraus die Differenz zwischen Soll- und Ist-Beschleunigung be¬ rechnet, die mit dem Rechner berechnete Differenz zwischen Soll- und Ist-Drehbeschleunigung eingesetzt wird, um zwei in der Fortbewegungsebene des Fahrzeugs mit gegenläufigem Drehsinn rotierende Schwungräder (12) selektiv mit Brems¬ vorrichtungen (14) so abzubremsen, dass ein Gegendrehmo¬ ment gewünschter Grosse und Richtung erzeugt wird, wo¬ durch diese Differenz in Echtzeit auf Null geregelt und der Schleudervorgang damit gestoppt wird.
2) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelmessvorrichtung (6) ein weiterer Geschwindig- keitsaufnehmer ist, der die Drehgeschwindigkeit eines Steuerrades (5) misst, welches so mit einem lenkbaren Rad (1, 4) gekoppelt ist, dass sein Drehwinkel dem Ein¬ schlagswinkel (00 im wesentlichen proportional ist.
3) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungräder (12) mit einem Elektromotor (11) ange- trieben werden.
4) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Erzeugung der Bremskräfte in den Brems- Vorrichtungen (14) der Schwungräder (12) einem Rad-Brems- Unterstützungssystem des Fahrzeugs entnommen wird.
5) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Abbremsung der Schwungräder (12) das Prin¬ zip der Wirbelstrombremsung verwendet wird.
6) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Drehbeschleunigung um die Hochachse des Fahrzeugs aus den Messwerten von zwei an verschiedenen Orten ange¬ brachten Querbeschleunigungsmessern berechnet wird.
7) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitsaufnehmer (7) ein Signal liefert, das proportional zur Drehgeschwindigkeit von mindestens einem der Fahrzeugräder (1-4) ist.
8) Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitsaufnehmer in der Winkelmessvorrich¬ tung (6) ein Signal liefert, das proportional zur Drehge¬ schwindigkeit eines Steuerrades (5) ist.
9) Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Gegendrehmoment begrenzt wird, so dass das
Fahrzeug unter normalen Fahrbedingungen auch bei fehler¬ hafter Auslösung des Antischleudersystems sicher be¬ herrschbar bleibt .
10) Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Regelkreis beim Eintreffen falscher Messwerte beim Rechner die Erzeugung eines falschen Ge¬ gendrehmoments verhindert.
11) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 - 10 zur Verhinderung des Schleu¬ derns von Fahrzeugen mit mindestens 2 Rädern, wovon we¬ nigstens eines lenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Drehbeschleunigungsmessvorrichtung (8) zur Messung der Drehbeschleunigung um die Hochachse des Fahrzeugs vorhanden ist, - ein Geschwindigkeitsaufnehmer (7) an mindestens einem Rad (1 - 4) des Fahrzeugs vorhanden ist, - eine Winkelmessvorrichtung (6) zur Messung des Einschlag¬ winkels von mindestens einem lenkbaren Rad (1, 4) vorhan¬ den ist, ein Rechner (9) vorhanden ist, der über Datenleitungen mit der Drehbeschleunigungsmessvorrichtung (8), dem Ge- schwindigkeitsaufnehmer (7) und der Winkelmessvorrich¬ tung (6) verbunden ist, zwei in der Fortbewegungsebene des Fahrzeugs mit gegen¬ läufigem Drehsinn (13) rotierende Schwungräder (12) vor¬ handen sind, - an jedem Schwungrad (12) je eine steuerbare Bremsvorrich¬ tung (14) vorhanden ist, die über Steuerleitungen mit dem Rechner verbunden ist .
12) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Winkelmessvorrichtung (6) ein Geschwindigkeitsaufneh¬ mer ist, welcher die Drehwinkelgeschwindigkeit eines Steuerrades (5) misst, dessen Drehwinkel angenähert pro-
portional zum Einschlagwinkel eines lenkbaren Rades (1, 4) ist.
13) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass die beiden Drehachsen (15) der Schwungräder (12) auf der gleichen Geraden liegen .
14) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass die beiden Drehachsen (15) der Schwungräder (12) auf par¬ allelen Geraden liegen.
15) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Elektromotor (11) vorhanden ist, dessen Achse mit ei¬ nem der Schwungräder (12) gekoppelt ist.
16) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Bremsvorrichtungen (14) der Schwungräder (12) über Leitungen mit dem Rad-Brems-Unterstützungssystem des Fahrzeugs verbunden sind.
17) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass in der Bremsvorrichtung (14) der Schwungräder eine Wir¬ belstrombremse vorhanden ist.
18) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Drehbeschleunigungsmessvorrichtung (8) aus zwei Quer¬ beschleunigungsmessern besteht, die mit dem Rechner (9) verbunden sind.
19) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11 , dadurch gekenn¬ zeichnet , dass eine Begrenzvorrichtung für die auf die Schwungräder ( 12 )
einwirkenden Bremskräfte vorhanden sind.
20) Vorrichtung gemäss Patentanspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass ein separater Regelkreis vorhanden ist, der mit der Bremsvorrichtung (14) der Schwungräder (12) über Leitun¬ gen verbunden ist .
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