Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung einer ein kritisches Drehmoment im Bereich der Radhaftungsgrenze repräsentierenden Information für ein mehrere angetriebene Räder umfassendes Kraftfahrzeug.

Das Regelverhalten herkömmlicher Antiblockierregelsysteme (ABS) und Antriebsschlupfregelsysteme (ASR) ist für einen festgelegten Reibbeiwert zwischen Rad und Fahrbahn, zumeist den Reibbeiwert für eine griffige trockene Fahrbahn, ausgelegt. Dem Reibbeiwert entspricht ein von der jeweiligen Radlast abhängiges (kritisches) Antriebsdrehmoment, das mit einem gerade noch zulässigen Schlupf, d. h. ohne ein Durchdrehen des Antriebsrades noch auf die Fahrbahn übertragen werden kann. Bei einer Änderung des Reibbeiwertes, beispielsweise aufgrund nasser oder vereister Fahrbahn, kann dies zu einer Verschlechterung der Regeleigenschaften - bei ABS zum Beispiel zu einer Verlängerung des Bremsweges auf eisglatter Fahrbahn - führen. Eine Anpassung der Regeleigenschaften solcher Regelsysteme an den Zustand der momentan

befahrenen Fahrbahn ist deshalb wünschenswert.

Aus der DE 3814956 A ist ein Regelsystem für ABS- und ASR-Systeme bekannt, bei dem aus dem übertragenen Antriebsdrehmoment oder Bremsmoment und der Radgeschwindigkeit eines Antriebsrades der augenblicklich vorhandene Reibbeiwert und der Anstieg der Schlupfkurve abgeschätzt werden. Eine exakte Ermittlung des Reibbeiwertes findet dabei also nicht statt»

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, die während des Fahrbetriebes des Kraftfahrzeuges die genaue Ermittlung einer ein kritisches Antriebsmoment im Bereich der Radhaftungsgrenze repräsentierenden quantifizierten Information ermöglicht. Der dazu erforderliche vorrichtungsmäßige Aufwand soll möglichst gering bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 angegeben.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß bereits bei einer kurzzeitigen, also vorübergehenden Erhöhung des Antriebsdrehmomentes bei lediglich einer Teilzahl der angetriebenen Räder bis an die Haftgrenze dieser Räder heran die Größe des kritischen Antriebsdrehmomentes leicht bestimmt werden kann, da das Kraftfahrzeug mit einzeln angesteuerten elektrischen Antriebsmotoren ausgestattet ist. Aufgrund der erfaßten dem jeweiligen Elektromotor zugeführten Leistung und der erfaßten aktuellen Raddrehzahl, die mit derjenigen des Elektromotors übereinstimmt oder bei Zwischenschaltung eines Getriebes in einem vorgegebenen Verhältnis zur Drehzahl des Elektromotors steht, ist das jeweilige Antriebsdrehmoment von einer Rechenschaltung

errechenbar. Die Erfindung sieht vor, daß die Erhöhung des Antriebsdrehmomentes nur kurzzeitig erfolgt, damit das Fahrzeug für den Fahrer keinerlei Änderungen im Fahrverhalten zeigt. Das bedeutet, daß die Drehmomenterhöhung so dosiert werden muß, daß aufgrund der Massenträgheit des Fahrzeugs nach außen praktisch keine merkbaren Reaktionen hervorgerufen werden. Dies ist beispielsweise möglich, wenn die Dauer der Drehmomenterhöhung auf den Zeitbedarf für den Bruchteil einer Radumdrehung, vorzugsweise auf höchstens die Hälfte, insbesondere höchstens ein Zehntel begrenzt wird. Die Rechenschaltung, die die Prozedur zur Ermittlung des kritischen Antriebsdrehmomentes durchführt, vergleicht während der kurzzeitigen Antriebsdrehmomenterhöhung die Raddrehzahlen der Antriebsräder und ermittelt eine relative, d. h. auf die Raddrehzahl bezogene Drehzahldifferenz, die der Schlupfdifferenz der beiden miteinander verglichenen Räder entspricht. Unter der normalerweise gegebenen Voraussetzung, daß das Antriebsrad mit dem kleineren Antriebsdrehmoment noch keinen wesentlichen Schlupf aufweist, ist die relative Drehzahldifferenz unmittelbar repräsentativ für den absoluten Schlupf des Antriebsrades mit dem kurzzeitig erhöhten Antriebsdrehmoment. Solange die ermittelte relative Drehzahldifferenz unterhalb eines vorgegebenen kritischen Grenzwertes bleibt, der beispielsweise im Bereich von 10 bis 15 % festgelegt sein kann, liegt noch kein Durchdrehen des betreffenden Antriebsrades vor _. so daß - gleichbleibende Reibungsverhältnisse vorausgesetzt - ein Antriebsmoment in der festgestellten Größenordnung problemlos im Fahrbetrieb ausgenutzt werden kann. Die von der Rechenschaltung veranlaßte Erhöhung des Antriebsdrehmomentes erfolgt um einen vorgegebenen Festbetrag oder um einen vorgegebenen Prozentsatz des aktuellen Antriebsdrehmomentes an dem jeweiligen Rad. Vorteilhaft ist beispielsweise eine Erhöhung um höchstens ein Viertel des aktuellen Antriebsdrehmomentes. Der vorgegebene Erhöhungsbetrag kann auch in Abhängigkeit von der Raddrehzahl festgelegt sein. Zumindest wenn bei der Erhöhung des

Drehmomentes die gesetzte Schlupfgrenze noch nicht erreicht wurde, wird die Prozedur zur Ermittlung des kritischen Antriebsdrehmomentes im Zeitverlauf wiederholt. Es kann dann zunächst eine Information über die Höhe des noch unkritischen Antriebsdrehmomentes ausgegeben werden. Möglich ist aber auch eine sofortige Prozedurwiederholung, wobei dann aber zweckmässigerweise mit einem größeren Betrag der Drehmomenterhöhung gearbeitet wird, um sich der vorgegebenen Schlupfgrenze und damit dem kritischen Antriebsdrehmoment zu nähern.

Sobald eine Überschreitung der Schlupfgrenze anhand des ermittelten relativen DrehzahlUnterschieds erkannt wird, versucht die Rechenschaltung den genauen Wert des kritischen Antriebsdrehmomentes festzustellen, indem ein iteratives Vorgehen angewandt wird, d. h. der Erhöhungsbetrag für das Antriebsdrehmoment wird kleiner gewählt als zuvor. Tritt diese Überschreitung beispielsweise bereits bei der ersten Drehmomenterhöhung auf, so kann der Erhöhungsbetrag beispielsweise halbiert werden. Wird dann bei dieser erneuten Drehmomenterhöhung immer noch eine Schlupfgrenzenüberschreitung festgestellt, erfolgt im nächsten Schritt eine noch geringere Erhöhung; im umgekehrten Fall wird ein zwischen den beiden letzten Beträgen liegender Wert gewählt. Auf diese Weise kann sich die Rechenschaltung in wenigen Schritten ausreichend genau an den tatsächlichen Wert des kritischen Antriebsdrehmo entes herantasten.

Das kritische Antriebsdrehmoment ist unter Berücksichtigung der Radlast auch ein Maß für den aktuellen Reibbeiwert zwischen dem dann schlupfenden Rad und der Fahrbahn. Die so gewonnene Information über den Reibbeiwert oder auch bereits der ermittelte Wert des kritischen Antriebsdrehmomentes kann zur Steuerung der Regeleigenschaften von ABS- und/oder ASR-Rege ystemen und/oder zur Information des Fahrers beispielsweise mittels einer Warneinrichtung oder eines den

Fahrbahnzustand anzeigenden Displays benutzt werden.

Zweckmässigerweise erfolgt die Variation der Antriebsdrehmomente so, daß die Drehmomentsteuereinrichtung die Summe der Antriebsdrehmomente sämtlicher angetriebenen Räder des Kraftfahrzeuges während der Ermittlung des kritischen Antriebsdrehmomentes und/oder des Reibbeiwertes (im folgenden wird beides zusammenfassend meist als Reibbeiwertermittlung bezeichnet) auf einem vorgegebenen Wert hält. Die Drehmomentsteuereinrichtung ändert damit lediglich die Verteilung der Antriebsdrehmomente auf die angetriebenen Räder, so daß keine Komforteinbußen aufgrund der Drehmomentänderungen während der Reibbeiwertermittlung zu befürchten sind. Außerdem werden solche negativen Effekte aufgrund der bereits erwähnten Massenträgheit des Kraftfahrzeuges und der nur kurzzeitigen Drehmomenterhöhung weitestgehend "weggedämpft".

Da eine Variation der Antriebsdrehmomente zwischen Rädern derselben Antriebsachse unter Umständen zu bemerkbaren Giermomenten um die Hochachse des Kraftfahrzeuges führen könnten, variieren die Drehmomentsteuereinrichtungen vorzugsweise das Verhältnis der Summe der Antriebsdrehmomente der angetriebenen Räder einer Vorderachse des Kraftfahrzeuges zur Summe der Antriebsdrehmomente der angetriebenen Räder einer Hinterachse.

An und für sich genügt es, wenn für die Ermittlung der Reibbeiwertinformation jeweils das Antriebsdrehmoment ein und desselben Rades oder der Räder ein und derselben Antriebsachse erhöht und nachfolgend wieder erniedrigt wird. Um jedoch auch Unterschiede der kritischen Antriebsdrehmomente bzw. der Reibbeiwerte zwischen Vorderachse und Hinterachse und/oder linken und rechten Rädern des Kraftfahrzeuges erfassen zu können, erhöhen die

Drehmomentsteuereinr ch ungen zweckmässigerweise die Antriebsdrehmomente zumindest der beiden angetriebenen Räder wechselweise.

Die Ermittlung des Reibbeiwertes zwischen Rad und Fahrbahn bei Erreichen der Haftungsgrenze hängt nicht nur von dem für diesen Betriebszustand aufzubringenden Antriebsdrehmoment ab, sondern auch von der normal zur Fahrbahn wirkenden Radlast. Diese kann zwar in erster Näherung zumindest für einen nicht beschleunigenden Fahrzustand als konstante Größe angenommen werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Reibbeiwertbestimmung ist jedoch bevorzugt vorgesehen, daß die Anordnung Radlasterfassungs ittel umfaßt, die die Größe der momentanen auf das schlupfende Rad normal zur Fahrbahn wirkenden Radlast erfassen. Die Radlast kann beispielsweise mit Hilfe von Kraftsensoren am Fahrwerk des Kraftfahrzeuges gemessen werden oder aus sonstigen Systemen der Fahrwerksregelung, beispielsweise einer Dämpfungsregelung übernommen werden, die Radlast läßt sich aber auch aus Informationen über den Fahrzustand berechnen, beispielsweise aus Informationen über den Lenkwinkel als Maß für einen Kurvenradius und/oder aus Informationen über die Fahrzeugbeschleunigung bzw. den Wankwinkel unter Einbeziehung der die Fahrzeugträgheit charakterisierenden Größen, wie beispielsweise dessen Masse, dessen Wan trägheitsmoraent oder dessen Nickträghei smoment.

Die Aktualisierung der Information über den Reibbeiwert bzw. das kritische Antriebsdrehmoment kann periodisch in vorgegebenen Zeitintervallen erfolgen, beispielsweise alle 10 Sekunden oder einmal pro Minute. Die Aktualisierung kann aber auch situationsabhängig durchgeführt werden, zweckmässigerweise so, daß eine Steuerung während des Fahrbetriebes zeitlich versetzt an angetriebenen Rädern sowohl einer Vorderachse als auch einer Hinterachse des Kraftfahrzeuges

auftretende Schlupfänderungen erfaßt und daraufhin eine Aktualisierung der das kritische Antriebsdrehmoment bzw. den Reibbeiwert repräsentierenden Information veranlaßt. Bei dieser Variante wird ausgenutzt, daß sich auch im normalen Fahrbetrieb der Wert des Radschlupfes an Vorderachse und Hinterachse nacheinander um einen gewissen Wert ändert, wenn das Fahrzeug von einer Fahrbahn mit zum Beispiel hohem Reibbeiwert auf eine Fahrbahn mit niedrigerem Reibbeiwert wechselt. Der Schlupf wird sich in aller Regel nicht soweit ändern, daß die Grenzhaftung der Räder erreicht wird, doch genügt die Sehlupf nderung zum Auslösen der Aktualisierung der Reibbeiwertinformation, insbesondere, da sie in einer vorbestimmten Reihenfolge an den Rädern auftritt, d. h. zuerst an der Vorderachse und dann an der Hinterachse bzw. bei Rückwärtsfahrt in umgekehrter Reihenfolge.

Als besonders zweckmäßig erweist sich die Erfindung in Kraftfahrzeugen, bei welchen die einzelnen Elektromotoren, die jeweils mit einem einzelnen Antriebsrad gekoppelt sind, aus einer von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Generatoranordnung über eine Leistungselektronik mit elektrischem Strom gespeist werden. Bei einer solchen Antriebsanordnung kann die Rechenschaltung die Größe des Antriebsdrehmomentes abhängig von der Größe des dem Elektromotor des schlupfenden Rades zugeführten elektrischen Leistung und der Drehzahl dieses Rades errechnen. Für die Drehmomenterfassung können damit ohnehin zur Verfügung stehende Signale ausgenutzt werden. Ein Beispiel einer solchen Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einzeln durch Elektromotoren angetriebenen Rädern ist beispielsweise in der DE 4011291 AI beschrieben. Bei den Elektromotoren handelt es sich dabei um elektronisch kom utierte Vielpolmaschinen, deren Rotor aus einer Vielzahl von Permanentmagneten abwechselnder Polung gebildet ist.

Für die stellungsgerechte Stromzuführung zu den einzelnen Ständerwicklungen sind diese Elektromotoren mit Einrichtungen zur hochgenauen Ermittlung der jeweiligen Relativstellung zwischen Rotor und Ständer ausgestattet und verfügen somit bereits von vornherein im Betrieb über Informationen, aus denen sich die aktuelle Drehzahl und deren Änderung bereits nach einem Bruchteil einer Umdrehung unter Berücksichtigung der Zeit sehr genau bestimmen lassen. Es bedarf hierzu also keiner aufwendigen zusätzlichen Einrichtung mehr.

Da die tatsächlichen Drehzahlunterschiede zwischen zwei auf verschiedenen Längsseiten des Kraftfahrzeuges angeordneten Rädern bei einer Kurvenfahrt die Information über einen vorhandenen Schlupf verfälschen würden, weil allein schon die Kurvengeometrie ohne vorhandenen Schlupf einen Drehzahlunterschied erfordert, wird zweckmässig eine Sensoreinrichtung (z. B. Lenkradwinkelaufnehmer) vorgesehen, die eine solche Kurvenfahrt erfaßt. Diese Sensoreinrichtung kann die Rechenschaltung veranlassen, daß die Bestimmung des kritischen Antriebsdrehmomentes nur bei Geradeausfahrt durchgeführt wird oder daß eine Fehlerkompensation aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien der Spur der jeweiligen Räder erfolgt. Es kann aber auch veranlaßt werden, daß der Drehzahlvergleich nur zwischen Rädern derselben Längsseite des Kraftfahrzeuges vorgenommen wird, soweit für diese ein etwa gleicher Kurvenradius erwartet werden darf.

Im folgenden soll die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Antriebsan- ordnung für ein Kraftf hrzeug mit einer Anordnung zur Ermittlung einer den Reibbeiwert bei der Rad¬ haf ungsgrenze repräsentierenden Information und

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung des bei der Er¬ mittlung der Reibbeiwertinformation benutzten Prinzips.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 eines Kraftfahr¬ zeugs, an die eine Generatoranordnung 3 angeflanscht ist. Sämtliche Räder 5 des Kraftfahrzeugs sowohl an dessen Vorderachse 7 als auch an dessen Hinterachse 9 werden gesondert durch Elektromotoren11 angetrieben, von denen jeder über eine Stromsteuerschaltung 13 aus der Genera¬ toranordnung 3 gespeist wird. Eine Steuerung 15 steuert die Stromsteuerschaltungen 13 beispielsweise abhängig von der Einstellung eines Fahrpedals so, daß sich an den Rädern 5 ein gewünschtes Antriebsdrehmoment einstellt. Abhängig von dem gewünschten Antriebsdrehmoment wird in nicht näher dargestellter Weise auch die Leistung der Generatoranordnung 3 und der Brennkraftmaschine 1 gesteu¬ ert.

Der Antriebsanordnung sind bei 17 angedeutete Regelsyste¬ me für eine Antiblockierregelung (ABS) der Fahrzeugbrem¬ sen und/oder eine den Λntriebsradschlupf begrenzende Antriebsschlupfregelung (ASR) zugeordnet. Um das Regel¬ verhalten dieser Regelsysteme dem momentanen Fahrbahnzu¬ stand besser anpassen zu können, wird den Regelsystemen aus einer Rechenschaltung 19 eine Information über den Reibbeiwert der momentan befahrenen Fahrbahn zugeführt. Die Rechenschaltung 19, bei der es sich um einen Mikro-

E SATZB ATT

Prozessor oder dergleichen handeln kann und die Bestand¬ teil der Steuerung 15 sein kann, erhält aus der Steuerung 15 Informationen über die momentane elektrische Leistung der einzelnen Elektromotoren11 auf der Grundlage des Produkts aus momentaner Motorspannung und momentanem Motorstrom. Die Rechenschaltung 19 erhält ferner aus Sensoren 21 Informationen, die die momentane Raddrehzahl repräsentieren.und aus Sensore 23 Informationen über die momentane Radlast normal zur Fahrbahn. Die Rechenschal- tung 19 errechnet das Antriebsmoment des Rads 5 durch Division der elektrischen Leistung seines Elektromotors 11 durch die Raddrehzahl und bildet das Verhältnis aus Antriebsmoment dividiert durch die Radlast. Dieses Ver¬ hältnis repräsentiert ein Maß für den Reibbeiwert an der Radhaftgrenze, wenn es für die bei Annäherung an die Haftgrenze ermittelten Werte des Drehmoments und der Radlast gebildet wird.

Fig. 2 zeigt die Kraft— und Drehmomentverhältnisse eines angetriebenen Rads 5, welches auf einer Fahrbahn 25 abrollt, wobei

MA, das Antriebsmoment des Elektromotors 11,

F _τ die Radlast senkrecht zur Fahrbahn 25,

F.. die Normalkraft an der Auflagestelle des Rads 5 auf der Fahrbahn, F die Vortriebskraft des Rads 5 und r der dynamische Reifenradius ist.

Der Radschlupf s ist gleich dem Quotienten aus der Diffe¬ renz zwischen dem tatsächlich von dem Rad 5 zurückgeleg¬ ten Weg und dem durch die Umfangslänge des Rades 5 be¬ stimmten, theoretisch zurückgelegten Weg dividiert durch den theoretisch zurückgelegten Weg. Die Vortriebskraft F ist bei geringer Vortriebskraft im wesentlichen propor¬ tional zum Radschlupf s. Bei Erreichen einer Grenzvor-

triebskraft F' erhöht sich jedoch der Schlupf unter Durchdrehen des Rads 5 sehr stark, wie Fig. 3 zeigt. Der Reibbeiwert y läßt sich für die Grenzvortriebskraft F' aufgrund folgender Beziehungen errechnen. Solange das Rad 5 auf der Straße haftet, gilt

F _γ <y . F (1)

Wird das Antriebsdrehmoment des Rads 5 jedoch auf einen Wert erhöht, bei dem das Rad durchzurutschen beginnt, also die Grenzvortriebskraft F' erreicht wird, gilt

F' _γ = μ . F _N (2)

Unter der Voraussetzung, daß die Radlast F _L gleich der Normalkraft F ist, ergibt sich aus der Beziehung (2) und

F _v = M _A /r (3)

folgender Zusammenhang für den bei Erreichen der Radhaf- tungsgrenze geltenden Reibbeiwert u:

M _A /r (4)

^F L

Zur Bestimmung des Reibbeiwerts y sorgt die Rechenschal¬ tung 19 über die Steuerung 15 für eine Umverteilung der Antriebsmomente zwischen den Rädern 5 der Vorderachse 7 und der Hinterachse 9. Die Antriebsmomente werden so umverteilt, daß die Summe der Antriebsmomente sämtlicher Räder 5 konstant bleibt, um Komforteinbußen zu vermeiden. Die Steuerung 15 erhöht abwechselnd an der Vorderachse 7 und an der Hinterachse 9 das Antriebsmoment so lange, bis die Rechenschaltung 19 aufgrund der aus den Sensoren 21 zugeführten Drehzahlinformationen ein Anstieg des Rad-

_S chlupfs -an den Rädern 5 mit erhöhtem Antriebsmoment feststellt. Die Rechenschaltung 19 überwacht hierbei, ob der Radschlupf einen vorgegebenen Schlupfgrenzwert über¬ steigt. Bei Erfassen des über den Schlupfgrenzwert hinaus erhöhten Radschlupfs wird das momentane Antriebsmoment M _A sowie die momentane Radlast F erfaßt und der Reibbeiwert u ausgehend von diesen Größen errechnet.

Die Rechenschaltung 19 liefert die Information über den Reibbeiwert nicht nur an die ABS- und/oder ASR-Regelsy- ste e 17, sondern informiert über ein bei 27 angedeutetes Display auch den Fahrer über den Fahrbahnzustand.

Die Rechenschaltung 19 veranlaßt die Aktualisierung der Reibbeiwertinformation periodisch sich wiederholend, beispielsweise in Intervallen von etwa 10 Sekunden oder einer Minute. Darüber hinaus werden die Drehzahlinforma¬ tionen der Sensoren 21 aber auch daraufhin überwacht, ob während der Fahrt aufeinanderfolgend Schlupfänderungen zunächst an der Vorderachse 7 und daraufhin folgend auch an der Hinterachse 9 auftreten. AufeinancÜerfolgende Schlupfänderungen sowohl an der Vorderachse 7 als auch an der Hinterachse 9 werden als plötzliche Änderung der Fahrbahnbeschaffenheit interpretiert, worauf eine Aktua¬ lisierung der Reibbeiwertinformation veranlaßt wird.

ERSATZBLATT