Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Seitenwindstabilisierung eines Fahrzeugs, mit einer Schätzeinrichtung zur Schätzung einer Seitenwindgröße, die einen auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwindeinfluss wiedergibt, und mit einer zur Beeinflussung der Querdynamik des Fahrzeugs vorgesehenen Stabilisierungseinrichtung, der die geschätzte Seitenwindgröße zur Kompensation des auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwindeinflusses zugeführt wird.

Eine derartige Vorrichtung zur Minimierung des Seitenwindeinflusses auf das Fahrverhalten eines Fahrzeugs geht aus der DE 41 27 725 Al hervor. Die bekannte Vorrichtung umfasst eine Druckmesseinrichtung, die zur quantitativen Erfassung eines auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwindeinflusses im Seitenbereich der Außenhaut der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist. Die von der Druckmesseinrichtung zur Verfügung gestellten Druckmesssignale werden einer im Fahrzeug angeordneten, einen Digitalrechner und ein Stellglied aufweisenden Lenkwinkel- Stelleinrichtung zugeführt, die in Abhängigkeit der zugeführten Druckmesssignale einen an lenkbaren Rädern des Fahrzeugs einstellbaren Lenkwinkel solchermaßen modifiziert, dass die aufgrund des Seitenwindeinflusses verursachte Gierwinkeländerung des Fahrzeugs kompensiert wird.

Eine derartige Lenkwinkelstelleinrichtung, wie sie zur Verwirklichung der bekannten Vorrichtung a priori benötigt wird,

steht aus Kostengründen bzw. Gründen der Betriebssicherheit in aller Regel nicht zur Verfügung.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine kosteneffiziente und betriebssichere Beeinflussung der Querdynamik des Fahrzeugs zur Kompensation des auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwindeinflusses ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 17 gelöst.

Die Vorrichtung zur Seitenwindstabilisierung eines Fahrzeugs weist neben einer Schätzeinrichtung zur Schätzung einer Seitenwindgröße, die einen auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwind wiedergibt, weiterhin eine zur Beeinflussung der Querdynamik des Fahrzeugs vorgesehene Stabilisierungseinrichtung auf, der die geschätzte Seitenwindgröße zur Kompensation des auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwindeinflusses zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist die Stabilisierungseinrichtung zur Modifikation von an Rädern des Fahrzeugs wirkenden Radauf- standskräften ausgebildet, wobei die Stabilisierungseinrichtung die Radaufstandskräfte in Abhängigkeit der Seitenwindgröße derart modifiziert, dass der auf das Fahrzeug ausgeübte Seitenwindeinfluss kompensiert oder zumindest erheblich vermindert wird. Durch die Modifikation der Radaufstandskräfte lässt sich eine besonders robuste und betriebssichere Beeinflussung der Querdynamik des Fahrzeugs vornehmen.

Bei der Stabilisierungseinrichtung kann es sich dann insbesondere um ein serienmäßig zur Verfügung stehendes und damit kosteneffizient mitbenutzbares aktives Fahrwerk (Active Body Control - ABC, Aktive Hydropneumatik oder aktive Stabilisatoren) handeln, das abhängig von der Fahrbahnbeschaffenheit und dem Fahrverhalten des Fahrers eine Dämpfung fahrtbedingter Bewegungen des Fahrzeugaufbaus im Sinne einer Erhöhung des

Fahrkomforts und der Fahrsicherheit durch entsprechende fahrerunabhängige Modifikation der RadaufStandskräfte vornimmt.

Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Vorteilhafterweise schätzt die Schätzeinrichtung die Seitenwindgröße auf Basis eines Fahrzeugmodells, in das eine Quer- beschleunigungsgröße, die eine auf das Fahrzeug wirkende . Querbeschleunigung beschreibt, und/oder eine Gierratengröße, die eine Gierrate des Fahrzeugs um eine in Fahrzeughochrichtung orientierte Drehachse beschreibt, eingeht. Dementsprechend kann eine unter ästhetischen Gesichtpunkten als problematisch anzusehende Anbringung von Drucksensoren im Bereich der Außenhaut der Fahrzeugkarosserie zur Erfassung des Seitenwindeinflusses umgangen werden.

Ferner erlauben es die zur Schätzung der Seitenwindgröße herangezogenen Größen, neben einem möglichen Seitenwindeinfluss zugleich einen aufgrund einer Querneigung der Fahrbahn auf das Fahrzeug wirkenden Seitenkrafteinfluss zu schätzen und gegebenenfalls zu kompensieren.

Bei dem Fahrzeugmodell handelt es sich insbesondere um ein einfach auszuwertendes und für die meisten Fälle ausreichendes lineares Einspurmodell zur Beschreibung der Querdynamik des Fahrzeugs (vgl. „Adam Zomotor, Fahrwerktechnik: Fahrverhalten", 1. Auflage, Vogel-Fachbuch, S. 99 ff.), wobei allerdings auch ein beliebiges anderes Fahrzeugmodell vorgesehen sein kann, das die Querdynamik des Fahrzeugs in hinreichender Weise beschreibt.

Um die Genauigkeit bezüglich der Schätzung der Seitenwindgröße zusätzlich zu erhöhen, besteht die Möglichkeit, dass das Fahrzeugmodell neben den bereits erwähnten Größen die querdynamische Reaktion des Fahrzeugs auf eine vorgenommene Modifikation der RadaufStandskräfte berücksichtigt.

Des weiteren ist es von Vorteil, wenn die Querbeschleuni- gungsgröße in Form eines Querbeschleunigungssignals mittels eines Querbeschleunigungssensors und/oder wenn die Gierratengröße in Form eines Gierratensignals mittels eines Gierratensensors bereitgestellt wird. Da derartige Sensoren in Zusammenhang mit einem im Fahrzeug vorhandenen System zur Gierratenregelung, beispielsweise einem Elektronischen Stabilitäts- Programm (ESP) , meist ohnehin zur Verfügung stehen, wird durch deren Mitbenutzung eine besonders kosteneffiziente Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht.

Sollten keine derartigen Sensoren zur Verfügung stehen, ist es auch vorstellbar, die beiden Größen auf Basis einer Längsgeschwindigkeitsgröße, die eine in Fahrzeuglängsrichtung vorliegende Fahrzeuggeschwindigkeit beschreibt, und/oder einer Lenkwinkelgrδße, die einen an lenkbaren Rädern des Fahrzeugs einstellbaren Lenkwinkel beschreibt, zu ermitteln. Die Längsgeschwindigkeitsgröße ergibt sich beispielsweise durch Auswertung von Raddrehzahlsignalen, die von Raddrehzahlsensoren bereitgestellt werden, die den Rädern des Fahrzeugs zugeordnet sind. Entsprechendes gilt für die Lenkwinkelgröße, die in Form eines Lenkwinkelsignals mittels eines Lenkwinkelsensors bereitgestellt wird, der den an lenkbaren Rädern des Fahrzeugs eingestellten Lenkwinkel erfasst.

Zusammenfassend schätzt die Schätzeinrichtung also auf Basis sensorisch erfasster bzw. modellbasiert ermittelter Fahrdynamikgrößen unter Verwendung eines geeigneten Fahrzeugmodells, insbesondere eines linearen Einspurmodells zur Beschreibung der Querdynamik des Fahrzeugs, das beispielsweise die Gestalt

Vy =a _y , _meS8 -Ψ-v _x -g-Φ , (1.1)

Ψ (1.2)

aufweist, eine Seitenwindgröße, die einen auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwindeinfluss wiedergibt. Die Seitenwindgröße kann unter anderem in Form einer Seitenwindkraftgröße S _w/ die eine aufgrund des Seitenwinds auf das Fahrzeug ausgeübte Seitenwindkraft beschreibt, in mathematisch eindeutiger Weise quantifiziert werden, wobei sich zusätzlich oder alternativ zur Seitenwindkraftgröße S„ auch beliebige andere den Seitenwindeinfluss wiedergebende Seitenwindgrößen ermitteln lassen. Bei den in die Bestimmungsgleichungen (1.1) und (1.2) eingehenden Fahrdynamikgrößen handelt es sich beispielsgemäß um die mittels des Querbeschleunigungssensors erfasste Quer- beschleunigungsgröße und die mittels des Gierratensensors erfasste Gierratengröße, hier mit a _y>mess bzw. ψ bezeichnet.

Um eine möglichst genaue Schätzung der Seitenwindgröße zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn eine Korrektur der Querbeschleunigungsgröße a _y , _me βs in Hinblick auf Störeinflüsse, die aufgrund eines Wankens des Fahrzeugaufbaus um eine in Fahrzeuglängsrichtung orientierte Drehachse verursacht werden, vorgenommen wird.

Neben den beiden sensorisch erfassten Fahrdynamikgrößen ay.mess und Ψ finden in den Gleichungen (1.1) und (1.2) weitere Größen Berücksichtigung. Diese bezeichnen mit

v _y eine zeitliche Ableitung einer Quergeschwindigkeitsgrö- ße v _y , die eine in Fahrzeugquerrichtung vorliegende Fahrzeuggeschwindigkeit beschreibt, g die auf das Fahrzeug wirkende Gravitationsbeschleunigung, in der Größenordnung g«9,81m/s ² ,

Φ eine Fahrbahnquerneigungsgröße, die eine Fahrbahnquerneigung am Ort des Fahrzeugs beschreibt,

S _v eine Seitenkraftgrδße, die eine an einer Vorderachse des Fahrzeugs wirkende Seitenkraft beschreibt,

EP2005/012738

l _v einen Abstand zwischen der Vorderachse des Fahrzeugs und dem Fahrzeugschwerpunkt,

S _h eine Seitenkraftgröße, die eine an einer Hinterachse des Fahrzeugs wirkende Seitenkraft beschreibt,

Iv einen Abstand zwischen der Hinterachse des Fahrzeugs und dem Fahrzeugschwerpunkt, e eine Aerodynamikgröße, die einen Abstand zwischen dem

Fahrzeugschwerpunkt und einem aerodynamischen Angriffspunkt des Fahrzeugs wiedergibt,

Jzi das Trägheitsmoment des Fahrzeugs um eine in Fahrzeughochrichtung orientierte Hauptträgheitsachse.

Für die Aerodynamikgröße e , die letztlich den im Fahrzeugschwerpunkt angreifenden Hebelarm des Seitenwinds wiedergibt, sei im folgenden der Einfachheit halber ein mittlerer konstanter Wert vorausgesetzt. Die Größen g, l _v , In und J ₂₂ stellen physikalische bzw. fahrzeugspezifische Konstanten dar, die neben der als konstant vorausgesetzten Aerodynamikgröße e beispielsweise in einem der Schätzeinrichtung zugeordneten Speicher hinterlegt sind.

Gemäß Gleichung (1.1) wird die Querbeschleunigungsgröße a _y ,meβ ₈ zur exakten Schätzung der Seitenwindgröße sowohl in Hinblick auf eine Fahrbahnquerbeschleunigungskomponente g-Φ, die eine aufgrund einer Fahrbahnquerneigung auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleunigung beschreibt, als auch in Hinblick auf eine Coriolisquerbeschleunigungskomponente Ψ-v _x , die eine aufgrund von Corioliskräften auf das Fahrzeug wirkende Querbeschleunigung beschreibt, korrigiert.

Für die Querbeschleunigungsgröße gilt ferner die Bestimmungsgleichung

m

wobei m die Masse des Fahrzeugs bezeichnet. Wird ein mögliche Zuladung des Fahrzeugs vernachlässigt, so kann die Masse m des Fahrzeugs als konstant angenommen und in Form einer entsprechenden Konstante in dem der Schätzeinrichtung zugeordneten Speicher hinterlegt werden.

Wird Gleichung (1.3) in Gleichung (1.1) eingesetzt, so ergibt sich unmittelbar

v _y =-Ψ-v _x -g-Φ+ ^{Sv +Sh} +^ . (1.4) m m

In Gleichung (1.2) findet unter anderem eine durch einen Zusammenhang der Gestalt

gegebene Giermomentgröße M _w Berücksichtigung, in der die Aerodynamikgröße e eine Funktion eines Anströmwinkels τ„ zwischen der Richtung der durch die Längsgeschwindigkeitsgrδße v _x beschriebenen Fahrzeuglängsbewegung und der auf den Fahrzeugmittelpunkt bezogenen Einfallrichtung des Seitenwinds ist. Die Giermomentgröße M„ gibt hierbei ein durch den Seitenwind bewirktes Giermoment wieder, das in Bezug auf den Fahrzeugschwerpunkt am Fahrzeug angreift.

Für die Seitenkraftgrößen S _v und S _h gelten weiterhin lineare Seitenkraftbeziehungen der Gestalt

und S _h , (1.7)

wobei C _v bzw. C _h die Schräglaufsteifigkeit von an der Vorderachse bzw. der Hinterachse des Fahrzeugs befindlichen Rädern und δ die Lenkwinkelgröße bezeichnen. Bei den Größen C _v und Ch handelt es sich um fahrzeugspezifische Konstanten, die vorzugsweise in dem der Schätzeinrichtung zugeordneten Speicher hinterlegt sind.

Um die Schätzung der Seitenwindgröße rechnerisch zu vereinfachen, sei weiterhin angenommen, dass sich die Fahrbahnquer- neigungsgrόße Φ und die Seitenwindkraftgröße S„ ausschließlich sprungförmig ändern,

Φ = 0 , Sw =0 . (1.8)

Ferner lassen sich die Seitenkraftgrößen S _v und S _h durch Einsetzen der Gleichungen (1.6) und (1.7.) in Gleichung (1.3) eliminieren,

L y,mesB +S, ⁽ 1.9 ⁾

bzw. in vereinfachter Darstellung

a _y .msββ = C n - V _y + C _l3 - S _w + U _β y ( ψ , δ , V _x ) , ( 1 . 10 )

wobei die Größen S„ und v _y noch zu bestimmen sind. Daneben gilt eine Messgleichung der Gestalt

ψ -v _y +c ₂₃ -S„ +u _ψ (ψ,δ,v _x ) (1.11)

bzw. in vereinfachter Darstellung

y =C-x+D-u , (1.12)

sowie eine Zustandsgieichung der Gestalt

Φ = A Φ + B - u ( 1 . 13 ) S _w

bzw. in vereinfachter Darstellung

x = A-x + B -u ( 1 . 14 )

mit

)

Zur Ermittlung von Schätzgrößen S„, v _y und Φ für die Sei- tenwindkraftgröße S _w/ die Quergeschwindigkeitsgröße v _y und die Fahrbahnquerneigungsgröße Φ hat sich ein entsprechendes Beobachterkonzept, beispielsweise in Form eines Kaiman- Filters, als zweckmäßig erwiesen. Die zu bestimmenden Größen S„, v _y und Φ ergeben sich also letztlich aufgrund einer mittels des Kaiman-Filters durchgeführten Beobachtung bzw. Schätzung.

Das Beobachterkonzept, das vorzugsweise in der Schätzeinrichtung implementiert ist, kann ferner eine Ermittlung von Schätzgrößen ψ , a _y für die sensorisch erfassten bzw. modellbasiert ermittelten Größen ψ , a. _yimeBB vorsehen, wobei die auf Basis eines Vergleichs festgestellten Abweichungen zwischen den sensorisch erfassten und den geschätzten Größen mittels eines Korrekturfaktors K korrigiert werden,

Auf Grundlage der geschätzten Seitenwindkraftgrδße S„ lassen sich weitere für den auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwind- einfluss charakteristische Seitenwindgrößen ermitteln bzw.

schätzen, wie beispielsweise der Anströmwinkel τ„ des Seitenwinds oder eine Anströmgeschwindigkeitsgröße v _re s, die eine in Einfallrichtung des Seitenwinds auftretende Anströmgeschwindigkeit in Bezug auf den Fahrzeugmittelpunkt wiedergibt. Die Ermittlung bzw. Schätzung kann unter Ausnutzung aerodynamischer Beziehungen der Gestalt

Sw =--A ₈ -C ₈ (τ _w )-v ² _re8 , (1.17)

2

erfolgen. Neben der geschätzten Seitenwindkraftgröße S„, den beiden Größen t„ und v _reB , und einer für die Giermomentgröße M„ geschätzten Größe M„ finden in den Gleichungen (1.17) bis (1.19) auch weitere Größen Berücksichtigung. Diese bezeichnen mit

F„ eine geschätzte Seitenwindlängskraftgröße F _w , die eine aufgrund des Seitenwinds in Fahrzeuglängsrichtung auf das Fahrzeug ausgeübte Kraft beschreibt, p die Luftdichte, in der Größenordnung p«l,29kg/m ³ ,

A ₈ die seitenwindwirksame Querschnittsfläche des Fahrzeugs,

1 die seitenwindwirksame Länge des Fahrzeugs,

C ₈ den in Längsrichtung des Fahrzeugs wirksamen aerodynamischen Beiwert, c„ den in Querrichtung des Fahrzeugs wirksamen aerodynamischen Beiwert,

C _n den in Hochrichtung des Fahrzeugs wirksamen aerodynamischen Beiwert.

Die aerodynamischen Beiwerte c _S/ c„ und c _n liegen vorzugsweise in Form von Kennlinien vor, die in dem der Schätzeinrichtung zugeordneten Speicher hinterlegt sein können. Die Seitenwindlängskraftgröße F _w lässt sich beispielsweise durch Auswertung der in Fahrzeuglängsrichtung auftretenden Kräfte- und Drehmomentbilanzen ermitteln bzw. schätzen.

Wird zusätzlich zu den Gleichungen (1.17) bis (1.19) die in analoger Weise für die geschätzte Giermomentgröße M _w geltende Gleichung (1.5) hinzugezogen,

so kann als weitere Seitenwindgrδße die bisher als konstant vorausgesetzte Aerodynamikgröße e ermittelt bzw. geschätzt werden. Alternativ kann die Ermittlung bzw. Schätzung der Ae- rodynamikgröße e auch auf Basis des Anströmwinkels τ _w unter Verwendung einer vorgegebenen Kennlinie e(τ„ ) erfolgen, die beispielsweise in dem der Schätzeinrichtung zugeordneten Speicher hinterlegt ist.

Um zu vermeiden, dass im Falle querdynamisch kritischer Fahrsituationen eine Modifikation der RadaufStandskräfte zur Kompensation des auf das Fahrzeugs ausgeübten Seitenwindeinflusses erfolgt, besteht die Möglichkeit, dass bei Überschreiten eines vorbestimmten Fahrzeugneigungswinkels und/oder bei einem Eingreifen eines im Fahrzeug angeordneten Fahrstabili- tätssystems und/oder bei Überschreiten eines vorbestimmten Lenkwinkels an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs die Schätzung der Seitenwindgröße unterbleibt.

Die so geschätzte Seitenwindgröße wird schließlich der Stabilisierungseinrichtung zur Kompensation des auf das Fahrzeug ausgeübten Seitenwindeinflusses zugeführt.

Vorteilhafterweise umfasst die Stabilisierungseinrichtung ein aktives Fahrwerk, bei dem mit Stellelementen zusammenwirkende

Abstützaggregate zwischen den Rädern des Fahrzeugs und dem Fahrzeugaufbau angeordnet sind, und bei dem die Räder einer der Fahrzeugachsen einen Vorspurwinkel aufweisen, sodass sich durch radindividuelle Ansteuerung der Stellelemente die an den einzelnen Rädern wirkenden RadaufStandskräfte derart beeinflussen lassen, dass im Bereich der den Vorspurwinkel aufweisenden Räder eine Querkraft hervorgerufen wird, die zu einem auf das Fahrzeug wirkenden Giermoment führt.

Die Stabilisierungseinrichtung umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit der geschätzten Seitenwindgröße einen zur Kompensation des Seitenwindeinflusses geeigneten Sollwert für eine die Gierrate des Fahrzeugs beschreibende Gierratengröße ermittelt, wobei die Steuereinrichtung die Radaufstandskräfte durch Ansteuerung der Stellelemente derart einstellt, dass die Gierratengröße durch Aufbau eines entsprechenden Giermoments an den ermittelten Sollwert herangeführt wird. Die Gierratengröße beschreibt vorzugsweise die Gierrate des Fahrzeugs um eine in Fahrzeughochrichtung orien- tierte Drehachse und ist vorzugsweise mit derjenigen Gierratengröße identisch, die zur Schätzung des Seitenwindgröße herangezogen wird.

Eine derartige Stabilisierungseinrichtung ermöglicht eine überaus effektive und verzögerungsarme Beeinflussung der Gierrate des Fahrzeugs und damit der durch sie beschriebenen Gierratengrδße, sodass eine zuverlässige Kompensation auch stärkerer bzw. plötzlich auftretender Seitenwindeinflüsse (Windböen, Sturm etc.) gewährleistet ist.

Der Zusammenhang zwischen dem für die Gierratengröße ermittelten Sollwert und den RadaufStandskräften ist beispielsweise in der Steuereinrichtung in Form einer Kennlinie oder einer entsprechenden Rechenvorschrift hinterlegt. Die Steuereinrichtung kann hierbei im Sinne einer kosteneffizienten Mehrfachnutzung Bestandteil einer im Fahrzeug angeordneten

Gierratenregelung, beispielsweise eines Elektronischen Stabilitäts-Programms (ESP) , sein.

Eine besonders robuste Art der Modifikation der RadaufStandskräfte lässt sich erreichen, wenn die Stellelemente zur Beeinflussung der Vorspannung von Federungseinrichtungen des Fahrzeugs ausgebildet sind, wobei die Modifikation der RadaufStandskräfte durch Modifikation der Vorspannung der Federungseinrichtungen erfolgt.

Hierbei spielt die jeweilige konstruktive Ausführung der Federungseinrichtungen prinzipbedingt keine Rolle. Vielmehr kann es sich gleichermaßen um Blattfedern und/oder Schraubenfedern und/oder Luftfedern und/oder Hydrofedern handeln, so- dass sich die Stabilisierungseinrichtung in Zusammenhang mit nahezu jedem Personenkraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug realisieren lässt.

Alternativ sind die Stellelemente zur Beeinflussung der Vorspannung von im Fahrzeug angeordneten Stabilisatoren ausgebildet, wobei die Modifikation der RadaufStandskräfte durch Modifikation der Vorspannung der Stabilisatoren erfolgt. Bei den Stabilisatoren kann es sich insbesondere um serienmäßig zur Verfügung stehende und damit kosteneffizient mitbenutzbare Wankstabilisatoren des Fahrzeugs handeln.

Die durch die Modifikation der RadaufStandskräfte bewirkte Gierratengröße ist vom Betrag des Vorspurwinkels abhängig. Da ein dauerhaft eingestellter großer Betrag des Vorspurwinkels zu einem hohen Reifenverschleiß führt, ist es von Vorteil, wenn sich der Vorspurwinkel mittels Verstellelementen beeinflussen lässt, wobei die Beeinflussung derart erfolgt, dass der Betrag des Vorspurwinkels ausschließlich bei Bedarf vergrößert wird.

Je nach gewünschter Charakteristik der von der Stabilisierungseinrichtung durchgeführten Gierratenregelung können die

den Vorspurwinkel aufweisenden Räder der Vorderachse und/oder der Hinterachse des Fahrzeugs zugeordnet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Seitenwindstabilisierung für ein Fahrzeug,

Fig. 2 eine Kennlinie, die den in Fahrzeuglängsrichtung wirksamen aerodynamischen Beiwert c _β (τ„ ) veranschaulicht,

Fig. 3 eine Kennlinie, die den in Fahrzeugquerrichtung wirksamen aerodynamischen Beiwert c _w (τ„ ) veranschaulicht,

Fig. 4 eine Kennlinie, die den in Fahrzeughochrichtung wirksamen aerodynamischen Beiwert c _n (τ„ ) veranschaulicht,

Fig. 5 eine Kennlinie, die eine den Seitenwindeinfluss wiedergebende Aerodynamikgröße e(τ„ ) veranschaulicht,

Fig. 6 ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel einer zur Beeinflussung von RadaufStandskräften ausgebildeten Stabilisierungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Seitenwindstabilisierung eines Fahrzeugs.

Die im Fahrzeug 10 angeordnete Vorrichtung 11 weist neben einer Schätzeinrichtung 12 zur Schätzung einer Seitenwindgröße, die einen auf das Fahrzeug 10 ausgeübten Seitenwindeinfluss wiedergibt, weiterhin eine zur Beeinflussung der Querdynamik des Fahrzeugs 10 vorgesehene Stabilisierungseinrichtung 13 auf, die zur Modifikation von an Rädern des Fahrzeugs 10 wirkenden RadaufStandskräften ausgebildet ist, wobei die Stabilisierungseinrichtung 13 die RadaufStandskräfte in Abhängigkeit der Seitenwindgröße derart modifiziert, dass der auf das Fahrzeug 10 ausgeübte Seitenwindeinfluss kompensiert oder zumindest erheblich vermindert wird.

Die Schätzeinrichtung 12 schätzt die Seitenwindgröße auf Basis eines Fahrzeugmodells, in das eine Querbeschleunigungs- größe a _y , _meS β eingeht, die eine auf das Fahrzeug 10 wirkende Querbeschleunigung beschreibt, und/oder in das eine Gierratengröße Ψ eingeht, die eine Gierrate des Fahrzeugs 10 um eine in Fahrzeughochrichtung orientierte Drehachse beschreibt.

Bei dem Fahrzeugmodell handelt es sich im vorliegenden Fall um ein einfach auszuwertendes lineares Einspurmodell zur Beschreibung der Querdynamik des Fahrzeugs 10 (vgl . „Adam Zomo- tor, Fahrwerktechnik: Fahrverhalten", 1. Auflage, Vogel- Fachbuch, S. 99 ff.) .

Die Querbeschleunigungsgröße a _y>κ „ wird in Form eines Quer- beschleunigungssignals mittels eines Querbeschleunigungssen- sors 14 bereitgestellt. Entsprechendes gilt für die Gierratengröße Ψ , die in Form eines Gierratensignals mittels eines Gierratensensors 15 bereitgestellt wird. Die beiden Sensoren 14 und 15 können Bestandteil eines im Fahrzeug 10 vorhandenen Systems zur Gierratenregelung, beispielsweise eines Elektronischen Stabilitäts-Programms (ESP) , sein.

Sollte der Querbeschleunigungssensor 14 und/oder der Gierratensensor 15 nicht zur Verfügung stehen, ermittelt die

Schätzeinrichtung 12 die Querbeschleunigungsgrδße a _y ,m _eB3 und/oder die Gierratengröße Ψ auf Basis geeigneter Modelle, in die eine Längsgeschwindigkeitsgröße V _x , die eine in Fahrzeuglängsrichtung vorliegende Fahrzeuggeschwindigkeit beschreibt, und/oder in die eine Lenkwinkelgröße δ, die einen an lenkbaren Rädern des Fahrzeugs 10 einstellbaren Lenkwinkel beschreibt, eingeht.

Die Längsgeschwindigkeitsgröße V _x ergibt sich durch Auswertung von RaddrehzahlSignalen, die von Raddrehzahlsensoren 20 bereitgestellt werden, die den Rädern des Fahrzeugs 10 zugeordnet sind. Entsprechendes gilt für die Lenkwinkelgröße δ , die in Form eines Lenkwinkelsignals mittels eines Lenkwinkel- sensors 21 bereitgestellt wird, der den an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs 10 eingestellten Lenkwinkel erfasst.

Zusammenfassend schätzt die Schätzeinrichtung 12 also auf Basis sensorisch erfasster bzw. modellbasiert ermittelter Fahrdynamikgrößen a _y ,me8s, Ψ unter Verwendung eines geeigneten Fahrzeugmodells, im vorliegenden Fall eines linearen Einspurmodells zur Beschreibung der Querdynamik des Fahrzeugs 10 gemäß den Gleichungen (1.1) und (1.2), eine Seitenwindgröße, die einen auf das Fahrzeug 10 ausgeübten Seitenwindeinfluss wiedergibt.

Die Seitenwindgröße wird unter anderem in Form einer Seiten- windkraftgröße S _w , die eine aufgrund des Seitenwinds auf das Fahrzeug 10 ausgeübte Seitenwindkraft beschreibt, quantifiziert.

Um eine möglichst genaue Schätzung der Seitenwindkraftgröße S„ zu gewährleisten, nimmt die Schätzeinrichtung 12 zusätzlich eine Korrektur der Querbeschleunigungsgröße a. _yιmeBg in Hinblick auf Störeinflüsse, die aufgrund eines Wankens des Fahrzeugaufbaus um eine in Fahrzeuglängsrichtung orientierte Drehachse verursacht werden, vor.

Wie bereits angesprochen, erfolgt die Schätzung der Seiten- windkraftgröße S« auf Grundlage der Gleichungen (1.1) und (1.2), wobei die Schätzeinrichtung 12 zusätzlich weiterführende Zusammenhänge bzw. Erläuterungen gemäß den Gleichungen (1.3) bis (1.15) berücksichtigt. Die entsprechend den Gleichungen (1.1) bis (1.15) zur Schätzung der Seitenwindkraft- große S _w durchzuführenden Rechenoperationen sind hierbei in Form eines Datenverarbeitungsprogramms in der Schätzeinrichtung 12 hinterlegt.

Neben den beiden sensorisch erfassten bzw. modellbasiert ermittelten Fahrdynamikgrößen a _y ,,ne-8/ Ψ finden in den durch die Gleichungen (1.1) bis (1.15) gegebenen Zusammenhängen bzw. Erläuterungen auch weitere Größen Berücksichtigung. Diese bezeichnen - wie bereits in Zusammenhang mit den betreffenden Gleichungen (1.1) bis (1.15) ausgeführt - mit

v _y eine zeitliche Ableitung einer Quergeschwindigkeitsgrö- ße v _y , die eine in Fahrzeugquerrichtung vorliegende Fahrzeuggeschwindigkeit beschreibt, g die auf das Fahrzeug 10 wirkende Gravitationsbeschleunigung, in der Größenordnung g« 9,81m/s ² ,

Φ eine Fahrbahnquerneigungsgröße, die eine Fahrbahnquerneigung am Ort des Fahrzeugs 10 beschreibt,

Sv eine Seitenkraftgröße, die eine an einer Vorderachse des Fahrzeugs 10 wirkende Seitenkraft beschreibt, l _v einen Abstand zwischen der Vorderachse des Fahrzeugs 10 und dem Fahrzeugschwerpunkt SP,

Sh eine Seitenkraftgröße, die eine an einer Hinterachse des Fahrzeugs 10 wirkende Seitenkraft beschreibt, l _v einen Abstand zwischen der Hinterachse des Fahrzeugs 10 und dem Fahrzeugschwerpunkt SP,

P2005/012738

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e eine Aerodynamikgröße, die einen Abstand zwischen dem Fahrzeugschwerpunkt SP und einem aerodynamischen Angriffspunkt AP des Fahrzeugs 10 wiedergibt,

M„ eine Giermomentgröße M„, die ein durch den Seitenwind bewirktes Giermoment wiedergibt, das in Bezug auf den Fahrzeugschwerpunkt SP am Fahrzeug 10 angreift, τ„ ein Anströmwinkel zwischen der Richtung der durch die Längsgeschwindigkeitsgröße v _x beschriebenen Fahrzeuglängsbewegung und der auf den Fahrzeugmittelpunkt MP bezogenen Einfallrichtung des Seitenwinds,

J _« das Trägheitsmoment des Fahrzeugs 10 um eine in Fahrzeughochrichtung orientierte Hauptträgheitsachse, m die Masse des Fahrzeugs 10,

C _v die Schräglaufsteifigkeit von an der Vorderachse des Fahrzeugs 10 befindlichen Rädern,

C _h die Schräglaufsteifigkeit von an der Hinterachse des Fahrzeugs 10 befindlichen Rädern.

Einige der zuvor erwähnten Größen sind in Fig. 1 dargestellt.

Für die Aerodynamikgröße e , die letztlich den im Fahrzeugschwerpunkt SP angreifenden Hebelarm des Seitenwinds wiedergibt, sei im folgenden der Einfachheit halber ein mittlerer konstanter Wert vorausgesetzt. Die Größen g, l _v , U, J«, m , Cv und Ch stellen physikalische bzw. fahrzeugspezifische Konstanten dar, die neben der als konstant vorausgesetzten Aerodynamikgröße e in einem der Schätzeinrichtung 12 zugeordneten Speicher 12a hinterlegt sind.

Die Seitenkraftgrδßen S _v und Sh werden rechnerisch eliminiert und spielen folglich bei der Schätzung der Seitenwind- kraftgröße S„ keine Rolle.

Zur Ermittlung von Schätzgrößen S _w , v _y und Φ für die Sei- tenwindkraftgröße S„, die Quergeschwindigkeitsgröße v _y und

die Fahrbahnquerneigungsgröße Φ ist in der Schätzeinrichtung 12 ein Beobachterkonzept in Form eines Kaiman-Filters implementiert, wobei die Ermittlung der Schätzgrößen S„, v _y und Φ durch Integration eines Zusammenhangs gemäß den Gleichungen (1.12) und (1.14) erfolgt. Die zu bestimmenden Größen S _w/ Vy und Φ ergeben sich also letztlich aufgrund einer mittels des Kaiman-Filters durchgeführten Beobachtung bzw. Schätzung.

Das Beobachterkonzept sieht ferner eine Ermittlung von Schätzgrößen ψ , ä _y für die sensorisch erfassten bzw. modeil- basiert ermittelten Größen ψ, a _y . _m eβs vor, wobei die Ermitt- lung der Schätzgrößen ψ , ä _y durch Integration eines Zusammenhangs gemäß Gleichung (1.12) erfolgt. Die auf Basis eines anschließenden Vergleichs festgestellten Abweichungen zwischen den sensorisch erfassten bzw. modellbasiert ermittelten Größen ψ , a _y , _me8 s und den rechnerisch geschätzten Größen ψ , ä _y werden mittels eines Korrekturfaktors K entsprechend Gleichung (1.16) korrigiert.

Auf Grundlage der geschätzten Seitenwindkraftgrδße S„ ermittelt bzw. schätzt die Schätzeinrichtung 12 weitere für den auf das Fahrzeug 10 ausgeübten Seitenwindeinfluss charakteristische Seitenwindgrößen, beispielsgemäß den Anströmwinkel τ _w und/oder eine Anstrδmgeschwindigkeitsgröße v _reβ , die eine in Einfallrichtung des Seitenwinds auftretende Anströmgeschwindigkeit in Bezug auf den Fahrzeugmittelpunkt MP wiedergibt. Die Ermittlung bzw. Schätzung erfolgt unter Ausnutzung aerodynamischer Beziehungen gemäß den Gleichungen (1.17) bis (1.19), wobei neben der geschätzten Seitenwindkraftgröße S _w , den beiden Größen τ _w und v _reB , und einer für die Giermomentgröße M„ geschätzten Größe M„ weitere Größen Berücksichtigung finden. Diese bezeichnen - wie bereits in Zusammenhang mit den Gleichungen (1.17) bis (1.19) ausgeführt - mit

Fw eine Schätzgröße für eine Seitenwindlängskraftgröße F„ , die eine aufgrund des Seitenwinds in Fahrzeuglängsrichtung auf das Fahrzeug 10 ausgeübte Kraft beschreibt, die Luftdichte, in der Größenordnung p »1,29kg/irr

A ₈ die seitenwindwirksame Querschnittsfläche des Fahrzeugs 10,

1 die seitenwindwirksame Länge des Fahrzeugs 10, c _s den in Fahrzeuglängsrichtung wirksamen aerodynamischen Beiwert, c, den in Fahrzeugquerrichtung wirksamen aerodynamischen Beiwert,

C _n den in Fahrzeughochrichtung wirksamen aerodynamischen Beiwert.

Einige der zuvor erwähnten Größen sind in Fig. 1 dargestellt. Die Schätzgröße F _w wird durch Auswertung der in Fahrzeuglängsrichtung auftretenden Kräfte- und Drehmomentbilanzen ermittelt bzw. geschätzt.

Die aerodynamischen Beiwerte c _β# c„ und c _n liegen in Form von Kennlinien vor, deren Verlauf beispielhaft durch die Fig.en 2, 3 und 4 veranschaulicht ist.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der aerodynamische Beiwert c„ der Einfachheit auch konstant vorgegeben sein kann, beispielsweise in der Größenordnung c _w »0,38.

Zusätzlich oder alternativ zum Anströmwinkel τ„ und/oder der Anströmgeschwindigkeitsgröße v _res handelt es sich bei einer weiteren Seitenwindgröße um die bisher als konstant vorausgesetzte Aerodynamikgröße e . Die Ermittlung bzw. Schätzung der Aerodynamikgröße e erfolgt entweder unter Verwendung eines Zusammenhangs gemäß Gleichung (1.20) oder aber - wie im vorliegenden Fall angenommen werden soll - auf Basis des Anströmwinkels τ _w unter Verwendung einer vorgegebenen Kennli-

nie e(τ„), deren Verlauf beispielhaft durch Fig. 5 veranschaulicht ist.

Die Kennlinien der Fig.en 2 bis 5 sind vorzugsweise in dem der Schätzeinrichtung 12 zugeordneten Speicher 12a hinterlegt.

Um zu vermeiden, dass im Falle querdynamisch kritischer Fahrsituationen eine Modifikation der RadaufStandskräfte zur Kompensation des Seitenwindeinflusses durchgeführt wird, unterbleibt die Schätzung der Seitenwindkraftgröße S„ und damit die Ermittlung bzw. Schätzung der weiteren Seitenwindgrößen tw, v _re8/ e bei Überschreiten eines vorbestimmten Fahrzeugneigungswinkels und/oder bei einem Eingreifen eines im Fahrzeug 10 angeordneten Fahrstabilitätssystems und/oder bei Ü- berschreiten eines vorbestimmten Lenkwinkels an den lenkbaren Rädern des Fahrzeugs 10.

Die so geschätzte Seitenwindkraftgröße S„ und die auf deren Basis ermittelten bzw. geschätzten Seitenwindgrößen τ„, v _r e _S/ e werden anschließend der Stabilisierungseinrichtung 13 zur Kompensation des auf das Fahrzeug 10 ausgeübten Seitenwindeinflusses zugeführt.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Stabilisierungseinrichtung.

Die im Fahrzeug 10 angeordnete Stabilisierungseinrichtung 13 umfasst beispielsgemäß ein aktives Fahrwerk, bei dem mit hydraulisch ansteuerbaren Stellelementen 25 zusammenwirkende Ab- stützaggregate 26 zwischen den Rädern 27a bis 27d des Fahrzeugs 10 und dem Fahrzeugaufbau 28 angeordnet sind. Die Ab- stützaggregate 26 weisen mit den Stellelementen 25 in Reihe geschaltete Federungseinrichtungen 29 auf, wobei zusätzlich zur Serienschaltung der Stellelemente 25 und der Federungseinrichtungen 29 nicht dargestellte Dämpfungseinrichtungen

zur Schwingungsdämpfung des Fahrzeugaufbaus 28 parallelgeschaltet sind.

Die Stellelemente 25 sind hierbei zur Beeinflussung der Vorspannung der Federungseinrichtungen 29 ausgebildet, wobei die Modifikation der an den Rädern 27a bis 27d des Fahrzeugs 10 wirkenden RadaufStandskräfte Fn bis F ₁₄ dementsprechend durch Modifikation der Vorspannung der Federungseinrichtungen 29 erfolgt. Bei den Federungseinrichtungen 29 handelt es sich beispielsgemäß um Luftfedern, wobei zusätzlich oder alternativ auch Schraubenfedern und/oder Blattfedern und/oder Hydro- federn vorgesehen sein können.

Alternativ sind die Stellelemente 25 zur Beeinflussung der Vorspannung einer im Fahrzeug 10 angeordneten Stabilisatoreinrichtung zur Wankstabilisierung ausgebildet, wobei die Modifikation der Radaufstandskräfte Fn bis F ₁₄ in diesem Fall durch Modifikation der Vorspannung der Stabilisatoreinrichtung erfolgt.

Zur hydraulischen Ansteuerung der Stellelemente 25 ist eine elektromechanische Ventileinheit 30 vorhanden, die Bestandteil der Stabilisierungseinrichtung 13 ist und die von einer im Fahrzeug 10 befindlichen Druckquelle gespeist wird. Die momentane Stellung bzw. der momentane Stellweg der Stellelemente 25 relativ zum Fahrzeugaufbau 28 wird mittels Stellwegsensoren 35 erfasst, die ebenfalls Bestandteil der Stabilisierungseinrichtung 13 sind und deren Stellwegsignale Rückschlüsse auf die momentane Vorspannung der Federungseinrichtungen 29 und damit auf die an den Rädern 27a bis 27d radindividuell wirkenden Radaufstandskräfte Fn bis Fi ₄ zulassen. Die von den Stellwegsensoren 35 bereitgestellten Stellwegsignale werden hierbei der Stabilisierungseinrichtung 13 zur genauen Einregelung der jeweils gewünschten Radaufstandskräfte F _u bis Fi ₄ zugeführt.

Das aktive Fahrwerksystem ist weiterhin derart ausgebildet, dass die Räder 27a bis 27b sowohl der Vorderachse als auch der Hinterachse des Fahrzeugs 10 jeweils einen vorgegebenen Vorspurwinkel α aufweisen, sodass in Verbindung mit einer Fahrtbewegung des Fahrzeugs 10 Radseitenkräfte F _u bis F ₁ ⁸ , auftreten, deren Beträge unmittelbar von denen der momentan wirkenden RadaufStandskräfte Fn bis F ₁₄ abhängen.

Sind die an den Rädern 27a bis 27d des Fahrzeugs 10 wirkenden Radaufstandskräfte Fn bis Fi ₄ betragsmäßig gleich groß, und weisen die Räder 27a bis 27d des Fahrzeugs 10 jeweils identische Beträge für den Vorspurwinkel α auf, so sind die auftretenden Radseitenkräfte F ₁ ^ bis F ₁ ⁸ , ihrerseits betragsmäßig gleich groß. Demzufolge wird im Bereich der den Vorspurwinkel α aufweisenden Räder 27a bis 27d keine resultierende Querkraft hervorgerufen.

Nun soll angenommen werden, dass die Stellelemente 25 radindividuell derart angesteuert werden, dass die an den Rädern 27a, 27d wirkenden Radaufstandskräfte F ₁₁ , F ₁₄ jeweils um einen Kraftbetrag ΔF erhöht und die an den Rädern 27b, 27c wirkenden Radaufstandskräfte F ₁₂ , F ₁₃ jeweils um einen Kraft- betrag ΔF erniedrigt sind. Die aufgrund des Vorspurwinkels α an den Rädern 27a, 27d hervorgerufene Radseitenkraft F _n , F ₁ ⁸ , ist dann betragsmäßig größer als die an den Rädern 27b, 27c hervorgerufene Radseitenkraft F ₁ "., F ₁ *,, da die um den Kraftbetrag ΔF höher belasteten Räder 27a, 27d einen geringeren seitlichen Radschlupf aufweisen als die um den Kraftbetrag ΔF geringer belasteten Räder 27b, 27c. Damit tritt im Bereich der Räder 27a bis 27d eine resultierende Querkraft ~ ^F i ₂ bzw- ^F i ^S ₄ -F ₁₃ ^au f/ die im vorliegenden Fall ein auf das Fahrzeug 10 wirkendes linkshändiges Giermoment M zur Folge hat.

Dieses Giermoment M wird nun zur Kompensation des auf das Fahrzeug 10 ausgeübten Seitenwindeinflusses genutzt. Die Stabilisierungseinrichtung 13 umfasst hierzu eine Steuereinrich-

tung 36, die in Abhängigkeit der geschätzten Seitenwindkraft- große S, und der ermittelten bzw. geschätzten Seitenwindgrößen τ _w , v _res , e einen gemäß der Bedingung

M.ou =-M„ . (2.1)

zur Kompensation des Seitenwindeinflusses geeigneten Sollwert Ψsoii für die Gierratengröße Ψ ermittelt. Hierbei stellt die Steuereinrichtung 36 die RadaufStandskräfte Fn bis Fi ₄ durch entsprechende Ansteuerung der Stellelemente 25 derart ein, dass die Gierratengröße Ψ durch Aufbau eines entsprechenden Giermoments M an den ermittelten Sollwert Ψ _β oii herangeführt und der Seitenwindeinfluss kompensiert wird.

Die Einstellung der RadaufStandskräfte Fn bis Fj ₄ erfolgt in Abhängigkeit des Sollwerts Ψ _B oii selbst und/oder der zwischen dem Sollwert Ψ _so ii und der Gierratengröße Ψ vorliegenden Regelabweichung Ψsoii -Ψ unter Verwendung einer in der Steuereinrichtung 36 hinterlegten Kennlinie bzw. Rechenvorschrift.

Das durch die Modifikation der RadaufStandskräfte Fn bis Fi ₄ bewirkte Giermoment M ist letztlich vom vorgegebenen Betrag des Vorspurwinkels α abhängig. Da ein dauerhaft eingestellter großer Betrag des Vorspurwinkels α zu einem hohen Reifenverschleiß führt, wird der Vorspurwinkels α mittels nicht dargestellter Verstellelemente derart beeinflusst, dass dessen Betrag ausschließlich bei Bedarf vergrößert wird. Die Verstellelemente sind beispielsweise in Spurstangen der Vorderachse bzw. der Hinterachse angeordnet.

Je nach gewünschter Charakteristik der von der Stabilisierungseinrichtung 13 durchgeführten Gierratenregelung können die den Vorspurwinkel α aufweisenden Räder auch ausschließlich der Vorderachse oder aber der Hinterachse des Fahrzeugs 10 zugeordnet sein. An der prinzipiellen Wirkungsweise der Stabilisierungseinrichtung 13 ändert dies nichts.