Verfahren und Regel- und Steuereinheit zur Beeinflussung der Fahrdyna ik eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regel- und Steuereinheit zur Beeinflussung der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des /Anspruches 1 bzw. 16.
In der Druckschrift DE-Z: ATZ 96 (1994) 11, Seiten 657 ff. wird ein elektronisches Fahrdynamik-Regelsystem beschrieben, mit dem aktiv in einzelne Fahrzeugkomponenten zur Verbesserung des dynamischen Fahrverhaltens eingegriffen wird. Als Eingangssignale für das Regelsystem werden die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Querbeschleunigung gemessen, die gemeinsam mit weiteren Eingangsgrößen wie dem Lenkradwinkel zur Bestimmung eines Sollverlaufes für die Gierge- schwindigkeit herangezogen werden. Durch einen Vergleich mit der aktuellen Ist-Giergeschwindigkeit wird die Abweichung des tatsächlichen Fahrverhaltens vom gewünschten Fahrverhalten bestimmt und zur Ermittlung eines Regeleingriffs verwendet. Beispielsweise wird bei beginnendem Übersteuern das Antriebsmoment reduziert, um das Seitenführungspotential der Räder der angetriebenen Achse zu erhöhen.
Ein weiteres Fahrdynamik-Regelsystem ist aus der EP 05 54 892 AI bekannt. Diese Druckschrift zeigt ein System zur Traktionskontrolle bei Kraftfahrzeugen mit Automatikgetriebe, das als Eingangssignale den Schaltzustand des Getriebes und die Fahrzeuggeschwindigkeit heranzieht und hieraus ein
Stellsignal zur Einstellung der Drosselklappenposition erzeugt, um das Antriebsmoment einstellen zu können.
Aus der gattungsgemäßen Druckschrift DE 35 45 716 AI ist eine Einrichtung zur Vortriebsregelung an Kraftfahrzeugen bekannt, mit der ein Durchdrehen der angetriebenen Fahrzeugräder für den Fall verhindert werden soll, daß der Schlupf eines Rades einen Schwellenwert überschreitet. Als zusätzliche Bedingungen werden die Fahrzeuggeschwindigkeit und die auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleunigung berück- sichtigt, die jeweils auf Überschreitung eines Grenzwerts überprüft werden. In diesem Fall wird ein begrenzender Regeleingriff an der Drosselklappe vorgenommen.
Weiterhin ist es aus der DE 36 12 170 AI bekannt, die zeitliche Änderung der Querbeschleunigung als Steuersignal zur Reduzierung des Ausgangsdrehmoments des Antriebsaggregats eines Fahrzeugs heranzuziehen. Hierbei wird ein als E-Gas ausgebildetes Stellglied zur Reduzierung der Antriebsleistung angesteuert.
Aus der Druckschrift DE 37 41 009 AI geht eine Steuervorrichtung für die Verteilung der Antriebskraft eines allrad- getriebenen Fahrzeugs hervor, wobei eine Übertragungskupp- lung vorgesehen ist, welche kontinuierlich ein an die Vorderachse übertragenes Drehmoment variieren kann. Mit steigender Radgeschwindigkeitsdifferenz erfolgt eine Erhöhung des an die Vorderachse übertragenen Drehmoments mit steiler Anstiegsrate, sofern die Querbeschleunigung niedrig ist, und mit niedriger Anstiegsrate, sofern die Querbeschleunigung hoch ist. Diese Steuervorrichtung ist jedoch ausschließlich für die Antriebsmomentverteilung zwischen Vorderachse und Hinterachse konzipiert und kann für Zwei-Radgetriebene Fahrzeuge nicht verwendet werden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Fahrdynamik- System zu schaffen, mit dem zusätzliche Einstellmöglichkeiten zur Beeinflussung der Fahrdynamik eines Kraftfahrzeugs gegeben sind. Es soll insbesondere die Stabilität des Fahrzeugs erhöht werden. Darüberhinaus soll das Fahrdynamik- System zweckmäßig so einfach wie möglich ausgebildet sein und vorhandene Ressourcen so weit wie möglich nutzen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 16 gelöst.
Gemäß dem neuen Verfahren werden die Fahrzeug- Längsgeschwindigkeit und die Querbeschleunigung sensiert und zur Bestimmung eines Stellsignals für die Drosselklappenposition und für die Kupplung herangezogen. Überschreitet die Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder die Querbeschleunigung einen Grenzwert, so wird der maximale Öffnungswinkel der Drosselklappe begrenzt, wodurch auch die Motorleistung begrenzt wird. Daraufhin wird sich, zumindest bei gleichbleibenden äußeren Umständen, auch eine maximale Fahrzeuggeschwindigkeit einstellen. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß unterhalb des Grenzwerts für die Fahrzeugge- schwindigkeit bzw. die Querbeschleunigung die Drosselklappenposition allein über die Fahreranforderung bestimmt wird, oberhalb des Grenzwerts jedoch auf einen maximalen Öffnungswinkel limitiert wird. Dadurch wird das Abtriebsmoment an der angetriebenen Achse begrenzt bzw. reduziert, gegebenenfalls bis auf das maximale Schleppmoment des Motors. Durch die Begrenzung bzw. Reduzierung des Antriebsmoments wirken auf die angetriebenen Fahrzeugräder geringere Längskräfte, so daß die Fahrzeugräder in der Lage sind, höhere Seitenführungskräfte aufzunehmen, wodurch die Stabilität des Fahrzeugs erhöht wird.
Diese Strategie nutzt die Systemeigenschaften eines auf einem drive-by-wire-Konzepts beruhenden Kraftfahrzeugs. Gegenüber bekannten Regelkonzepten wird als zusätzliche Hardware-Komponente lediglich ein Sensor zur Messung der Querbeschleunigung benötigt; weitere Fahrzeugkomponenten sind dagegen nicht erforderlich. Der Stabilitätsgewinn wird mit einem minimalen zusätzlichen Hardware-Aufwand erzielt.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß eine Radbremsung primär nicht erforderlich ist, so daß über die Räder keine zusätzlichen Radlängskräfte übertragen werden müssen, die die Übertragung zusätzlicher, stabilisierender Seitenführungskräfte begrenzen würden.
Als weiterer stabilisierender Eingriff können die Kupplungsscheiben getrennt werden, so daß die Drehmomentübertragung im Antriebsstrang unterbrochen wird und die angetriebene Achse bzw. die angetriebenen Räder vollständig von Antriebsmomenten und folglich von Längskräften befreit wird, wodurch ein Maximum an Seitenführungskräften übertragbar ist.
Die Unterbrechung der Drehmomentübertragung erfolgt üblicherweise bei extremen Fahrsituationen, die dadurch detek- tiert werden, daß ein hoher Gradient bzw. eine große zeitliche Änderung der Querbeschleunigung vorliegt. Die zeitliche Änderung der Querbeschleunigung wird mit einem Grenzwert verglichen; übersteigt die Querbeschleunigungsänderung den Grenzwert, so wird die Kupplung geöffnet.
Die Drosselklappeneinstellung und die Trennung der Kupplungsscheiben stellen unterschiedliche Eingriffsmöglichkeiten dar, die in einer gemeinsamen Regel- und Steuereinheit zusammengefaßt werden, denen jedoch unterschiedliche physikalische Größen und Grenzwerte zugrunde liegen. Die Dros-
selklappeneinstellung erfolgt in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Querbeschleunigung, der Kupplungseingriff in Abhängigkeit der zeitlichen Änderung der Querbeschleunigung. Es ist dadurch möglich, eine abgestufte Stabilisierungsstrategie zu realisieren, indem regelmäßig bei den üblichen Fahrmanövern und Fahrsituationen zunächst über den Drosselklappeneingriff das Antriebsmoment reduziert wird und in einem weiteren Schritt - bei gefährlicheren Fahrsituationen - die Kupplungsscheiben getrennt werden.
Die beiden Eingriffe müssen nicht zeitlich aufeinanderfolgend ablaufen, sondern kommen situationsbedingt zum Einsatz. Es kann vorkommen, daß bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten und kleinen Querbeschleunigungen plötzlich starke Querbeschleunigungsänderungen auftreten, beispielsweise hervorgerufen durch starke Lenkbewegungen, wobei in diesem Fall zum Aufbau der für die Stabilität notwendigen Seitenführungskräfte nur die Kupplungsscheiben getrennt werden, ohne daß hierbei die Stellung der Drosselklappe verändert werden müßte. Hiermit wird dem Umstand Rechnung getragen, daß eine plötzliche auftretende Gefahrensituation einen schnell wirkenden Eingriff zur Fahrzeugstabilisierung erforderlich macht. Die Trennung der Kupplungsscheiben wirkt sich als unmittelbarer Eingriff in den Antriebsstrang schneller aus als eine Beschränkung des maximalen Öffnungswinkels der Drosselklappe, da die Änderung der Drosselklappenstellung sich über die Verbrennung des eingeführten Kraftstoff/Luftgemisches erst mit zeitlicher Verzögerung bemerkbar macht und außerdem keine vollständige, sondern nur eine teilweise Entlastung der angetriebenen Achse bewirkt, weil auch bei geschlossener Drosselklappe zumindest das Schleppmoment des Motors übertragen wird. Werden die Kupplungsscheiben wieder geschlossen, so befindet sich die Drosselklappe noch in der der Fahreranforderung entspre-
chenden Stellung bzw. in der auf den Maximalwert begrenzten Stellung, wodurch trägheitsbedingte Verzögerungen im Ansprechverhalten vermieden werden.
Umgekehrt ist es auch bei hohen Geschwindigkeiten und großen Querbeschleunigungen nicht unbedingt erforderlich, den Antriebsstrang zu trennen, sondern es reicht in der Regel aus, eine maximale Drosselklappenstellung vorzugeben.
Es kann aber angezeigt sein, beide Maßnahmen gleichzeitig auszuführen, also sowohl die Drosselklappenstellung zu begrenzen als auch die Kupplungsscheiben zu trennen.
Die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Querbeschleunigung werden sensorisch in diskreten Zeitabständen erfaßt, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit insbesondere aus der Raddrehzahl ermittelt wird.
Die Grenzwerte für die Fahrzeuggeschwindikeit und die Querbeschleunigung sowie für die Änderung der Querbeschleunigung können fahrzeugspezifisch angepaßt und in einer Speichereinheit der Regel- und Steuereinheit abgelegt werden. Zweckmäßig sind die Drosselklappenpositionen in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Querbeschleunigung in einem Kennfeld der Regel- und Steuereinheit abgespeichert, so daß jedem aktuellen Wert einer Fahrzeuggeschwindigkeit und einer Querbeschleunigung eine maximale Drosselklappenposition zugeordnet werden kann.
Um zu verhindern, daß durch die Änderung der Drosselklappenstellung eine Lastwechselreaktion infolge eines sich schnell ändernden Antriebsmoments ausgelöst wird, wird vorteilhaft ein Grenzwert für die maximal mögliche zeitliche Änderung der Drosselklappenposition - mithin ein Gradient für die Drosselklappenbewegung - vorgegeben, auf den jede
Drosselklappenänderung begrenzt wird. Unterhalb des Grenzwertes erfolgt keine Begrenzung der Drosselklappenänderung. Die Begrenzung der Drosselklappenänderung wirkt sich insbesondere bei einer Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Querbeschleunigung vorteilhaft aus, weil eine derartige Änderung in der Regel auch eine Änderung des Grenzwertes der Drosselklappenstellung auslöst. Geht die Fahreranforderung über den höchsten Grenzwert hinaus, wird die Drosselklappe immer bestrebt sein, den maximal möglichen Öffnungswinkel einzunehmen. Der Bewegungsverlauf - sowohl ein Ansteigen als auch ein Reduzieren - zwischen zwei möglichen Positionen der Drosselklappe wird durch den Grenzwert der Drosselklappenänderung begrenzt, der Lastwechselreaktionen auf ein vertretbares Maß beschränkt.
Liegt die Anforderung des Fahrers unterhalb des aktuell für eine bestimmte Geschwindigkeit und für eine bestimmte Querbeschleunigung geltenden Drosselklappen-Grenzwerts bzw. fällt die Anforderung durch sich ändernde äußere Bedingungen unter diesen Grenzwert ab, so greifen die Drosselklap- penlimitierungen zweckmäßig nicht durch, sondern die Fahreranforderung wird ohne Einschränkung in eine gewünschte Drosselklappenstellung umgesetzt. Auch die Kupplungsscheiben werden wieder geschlossen, sobald der aktuelle Wert der Änderung der Querbeschleunigung unter den entsprechenden Grenzwert fällt.
Der aktuelle Wert der Änderung der Querbeschleunigung wird bevorzugt als Differenzenquotient bestimmt, indem die Differenz aufeinanderfolgender Meßwerte von Querbeschleunigungen durch das zwischen den Meßwerten liegende Zeitintervall dividiert wird. Diese einfach durchzuführende Methode liefert insbesondere bei kleinen zeitlichen Abständen aufeinanderfolgender Messungen zuverlässige Ergebnisse.
Zusätzliche Eingriffsmöglichkeiten zur Stabilisierung des Fahrzeugs sind durch eine Limitierung der Kraftstoffeinspritzung und durch eine Aktivierung der Radbremse gegeben. Über die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung kann das Antriebsmoment beeinflußt werden, wohingegen über die Einstellung der Radbremse unmittelbar die Höhe des Bremsmoments bestimmt wird.
Die Kraftstoffeinspritzung wird zweckmäßig für den Fall ausgesetzt, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit einen Grenzwert überschreitet, wobei dieser Grenzwert identisch mit dem die Drosselklappenposition bestimmenden Fahrzeuggeschwindig- keits-Grenzwert sein kann, gegebenenfalls sich aber auch hiervon unterscheiden kann, insbesondere höher sein kann.
Als zusätzliches Kriterium für die Aussetzung der Kraftstoffeinspritzung kann die Querbeschleunigung oder die Änderung der Querbeschleunigung herangezogen werden, wobei zweckmäßig nur eines dieser Kriterien, jedoch in Kombination mit dem vorgenannten Fahrzeuggeschwindigkeits-Kriterium verwendet wird. Die Grenzwerte für die Querbeschleunigung bzw. die Änderung der Querbeschleunigung können wiederum identisch mit den für den Drosselklappen- und den Kupplungseingriff herangezogenen Grenzwerten sein, gegebenenfalls sich aber auch von diesen unterscheiden, insbesondere höher liegen.
Die Kraftstoffeinspritzung wird vorzugsweise wieder aufgenommen, sobald die Querbeschleunigung und die zeitliche Änderung der Querbeschleunigung jeweils einen zugeordneten Grenzwert unterschreiten, wobei auch in diesem Fall die Grenzwerte identisch sein können mit den Grenzwerten, bei denen die Einspritzung ausgesetzt wurde, gegebenenfalls sich aber auch unterscheiden können, insbesondere niedriger liegen können.
Als stabilisierende Maßnahme kann unmittelbar die Fahrzeuggeschwindigkeit beschränkt werden, insbesondere durch Aktivierung der Radbremse. Dies kann bei Vorliegen verschiedener Kriterien erfolgen, die je nach Auslegung einzeln oder kumulativ erfüllt sein müssen. Als Kriterium kann herangezogen werden, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit einen Grenzwert erreicht, ob die Fahrzeugbeschleunigung einen Grenzwert erreicht und/oder ob die Änderung der Querbeschleunigung einen Grenzwert erreicht, wobei die jeweiligen Grenzwerte mit den entsprechenden Grenzwerten für den Drosselklappeneingriff, den Kupplungseingriff oder den Eingriff für die Kraftstoffeinspritzung identisch sein können oder aber sich unterscheiden können.
Die Aktivierung der Radbremse wird bevorzugt wieder aufgehoben, wenn die Querbeschleunigung und die zeitliche Änderung der Querbeschleunigung jeweils einen zugeordneten Grenzwert unterschreiten, wobei sich auch in diesem Fall diese Grenzwerte von den vorhergehenden Grenzwerten unterscheiden, insbesondere niedriger sein können.
Für die Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Querbeschleunigung sind Sensoren vorgesehen, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit auch über die Messung der Raddrehzahlen ermittelt werden kann. Die Meßsignale werden als Eingangssignale der Regel- und Steuereinheit zugeführt, in der in Abhängigkeit der Eingangssignale aus einem Kennfeld die maximal zulässige Drosselklappenposition bestimmt und als Stellsignal einer Stelleinrichtung zur Einstellung der Drosselklappe zugeführt wird. Außerdem wird in der Regel- und Steuereinheit aus zumindest zwei aufeinanderfolgenden Signalen der Querbeschleunigung die Änderung der Querbeschleunigung bestimmt, mit einem abgespeicherten Grenzwert verglichen und ein Kupplungs-Stellsignal erzeugt, falls der
Grenzwert erreicht bzw. überschritten wird. Das Kupplungs- Stellsignal wird einer Stelleinrichtung zugeführt, über die die Kupplungsscheiben zur Unterbrechung des Antriebsstran- ges getrennt werden.
Anstelle eines Kennfeldes kann auch eine Berechnungsvorschrift zur Ermittlung der maximal zulässigen Drosselklappenposition herangezogen werden.
Das Verfahren und die Regel- und Steuereinheit sind für den Einsatz in Fahrzeugen mit Handschaltgetrieben vorgesehen. Es kommt aber auch ein Einsatz in Automatikgetrieben in Frage, wobei in diesem Fall die benachbarten Scheiben des Drehmomentwandlers getrennt werden, um die Momentenübertragung im Antriebsstrang zu unterbrechen.