Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Rei¬ fenseitenkraft in einem Kraftfahrzeug mit einem elektromecha- nischen oder elektrohydraulischen Lenksystem.

Hintergrund der Erfindung

Viele moderne Kraftfahrzeuge sind neben dem schon sehr weit verbreiteten ABS-BremsSystemen immer häufiger auch mit Fahrdy- namikregelsystemen ausgerüstet, um die aktive Sicherheit von Fahrzeugen zu erhöhen. Fahrdynamikregelungen werden zur Kon¬ trolle und Begrenzung von Gierbewegungen des Fahrzeuges um dessen Hochachse eingesetzt. Sensoren erfassen vom Fahrer vor¬ gegebene Größen wie zum Beispiel den Lenkwinkel, die Gaspedal- Stellung und den Bremsdruck. Darüber hinaus werden die Querbe¬ schleunigung sowie das Drehverhalten der einzelnen Fahrzeugrä¬ der gemessen. Die Leistungsfähigkeit von Fahrdynamikregelungen könnte durch das Erfassen weiterer Größen, die das dynamische Verhalten des Kraftfahrzeuges beeinflussen noch weiter gestei- gert werden. Zu diesen Größen gehört beispielsweise der Reib¬ wert der Fahrzeugräder auf der Fahrbahn oder der Schwimmwin¬ kel, der die Winkelabweichung des Geschwindigkeitsvektors von der Fahrzeugmittellinie angibt.

Zusammenfassung der Erfindung

Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfin¬ dung ein Verfahren anzugeben, mit welchem wenigstens eine wei- tere Größe ermittelbar ist, die das dynamische Verhalten eines Fahrzeuges beeinflusst.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Berechnung der Seiten¬ kraft in einem Kraftfahrzeug mit einem elektromechanischen o- der elektrohydraulischen Lenksystem vorgeschlagen. Das Verfah¬ ren umfasst die folgenden Schritte: - Erfassen einer Lenkstangenkraft; - Berechnen eines gesamten Rückstellmomentes aus der Lenkstan¬ genkraft, wobei das Rückstellmoment ein durch Seitenkraft verursachtes Rückstellmoment sowie weitere Rückstellmomente umfasst; - Quantitatives Bestimmen der weiteren Rückstellmomente auf Grundlage von Messwerten; - Subtrahieren der weiteren Rückstellmomente von dem gesamten Rückstellmoment zur Bestimmung des durch die Seitenkraft verursachten Rückstellmomentes; und - Ermitteln der Seitenkraft aus dem durch die Seitenkraft ver- ursachten Rückstellmoment.

Für viele Fahrdynamikregelsysteme ist die Seitenkraft an den Rädern eine vorteilhafte Eingangsgröße. Die Seitenkraft kann z. B. für die Bestimmung des Reibwertes oder die Schätzung des Schwimmwinkels verwendet werden.

Moderne elektromechanisch oder elektrohydraulisch unterstützte Lenksysteme bzw. vom Fahrer mechanisch entkoppelte elektrome- chanische oder elektrohydraulische Lenksysteme enthalten prin- zipbedingt Kraft- oder Momentensensorik aus denen die Lenk¬ stangenkraft (Zahnstange bei Zahnstangenlenkung) oder Spur¬ stangenkräfte gemessen oder berechnet. Aus den genannten Kräf¬ ten können die Reifenseitenkräfte bestimmt werden. Das erfin- dungsgemäße Verfahren nutzt diese Sensorik um die Reifensei¬ tenkräfte zu bestimmen.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung fließt in die Ermittlung der Seitenkraft ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Lenk¬ stangenkraft und dem gesamten Rückstellmoment ein. Zweckmäßi¬ gerweise kann das Übersetzungsverhältnis lenkwinkelabhängig sein.

Vorteilhafterweise geht in die Ermittlung der Seitenkraft ein Spreizungswinkel und/oder ein Nachlaufwinkel ein.

Die für die Erfindung wichtigen weiteren Rückstellmomente kön¬ nen durch Rollwiderstand, Bremskraft, Antriebskraft und/oder Hochkraft verursachte Rückstellmomente umfassen.

Bei unterschiedlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Lenkstangenkraft als auf die linke und rechte Spurstange wirkende Kraft oder als gesamte Lenkstangen- kraft erfasst werden.

Vorteilhafterweise wird die gesamte Lenkstangenkraft aus einem vom Fahrer aufgebrachten Lenkmoment, einer Lenkverstärkung und einer Lenkübersetzung berechnet. Dabei kann vorgesehen werden, dass in die Berechnung der Lenkstangenkraft eine lenkwinkelab- hängige Lenkübersetzung eingeht.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die gesamte Lenkstangenkraft aus dem Motorstrom und/oder der Motorposition eines oder mehrerer Elektromotoren des elektromechanischen o- der elektrohydraulischen Lenksystems ermittelt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zweckmäßig so erweitert werden, dass aus der ermittelten Seitenkraft ein Schwimmwinkel und/oder ein Reibwert ermittelt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung:

In der Zeichnung ist ein elektromechanisches Lenksystem sche¬ matisch dargestellt, in welchem ein Verfahren gemäß der Erfin¬ dung anwendbar ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektromechani- schen Lenksystems;

Fig. 2 den Nachlauf- und Spreizungswinkel an einem Fahrzeug- rad;

Fig. 3 den Seitenkrafthebelarm an einem Fahrzeugrad;

Fig. 4 den Bremskrafthebelarm an einem Fahrzeugrad;

Fig. 5 den Störkrafthebelarm an einem Fahrzeugrad;

Fig. 6 den Hochkrafthebelarm an einem Fahrzeugrad und dessen Zusammenhang mit dem Spreizungswinkel; und

Fig. 7 den Hochkrafthebelarm an einem Fahrzeugrad und dessen Zusammenhang mit dem Nachlaufwinkel.

Ausführliche Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Er- findung:

In Fig. 1 ist schematisch die Vorderachse eines Kraftfahrzeu¬ ges und das Lenksystem dargestellt. Ein Fahrer dirigiert das Fahrzeug durch Drehen eines Lenkrades 1 in eine gewünschte Fahrtrichtung. Die Lenkbewegung des Lenkrades 1 wird über eine Lenksäule 2 mechanisch auf ein Ritzel 3 übertragen. Das Ritzel 3 greift in eine Zahnstange 4 ein. Eine Drehbewegung des Lenk- rades 1 führt somit zu einer Hin- und Herbewegung der Zahnstange 4. Die Zahnstange 4 ist an beiden Enden mit jeweils einer linken und rechten Spurstange 61, 6r verbunden, die die Bewegung der Zahnstange 4 auf Fahrzeugvorderräder 11 bzw. 7r übertragen. Die Aufhängung der Fahrzeugvorderräder 11, 7r ist der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 weggelassen. Das inso¬ weit beschriebene Lenksystem ist rein mechanisch und erfordert bei hohen Fahrzeuggewichten hohe Lenkkräfte vom Fahrer. Aus diesem Grund ist die Lenksäule 2 zusätzlich antriebsmäßig mit einem Elektromotor 8 gekoppelt, der die Lenkbewegungen des Fahrers am Lenkrad 1 unterstützt. Der Motor 8 ist in Fig. 1 zwar neben der Lenksäule 2 dargestellt, treibt in Wirklichkeit jedoch die Lenksäule 2 an und wirkt auf das Ritzel 3. Der Mo¬ tor 8 wird durch eine Motorsteuerung 9 gesteuert und aus einer Batterie 11 mit Energie versorgt. Die Lenksäule 2 ist weiter- hin mit einem Drehmomentsensor 12a und ein Messwertwandler 12b ausgerüstet, der die Größe des vom Fahrer aufgebrachten Lenk- ■ momentes ML erfasst und an die Motorsteuerung 9 sowie an eine Seitenkraftberechnungseinheit 13 abgibt. Weiterhin gibt die Motorsteuereinheit 9 ein Signal VL an die Seitenkraftberech- nungseinheit 13 ab. Das Signal VL beschreibt die Verstärkung des vom Fahrer aufgebrachten Lenkmomentes ML. Die Seitenkraft¬ berechnungseinheit 13 gibt ein Ausgangssignal ab, welches die auf die Vorderräder 11, Ix einwirkende Seitenkraft Fγ repräsen¬ tiert.

Die Funktionsweise des insoweit beschriebenen Lenksystems und das Verfahren zur Berechnung der Seitenkraft Fγ werden im Fol¬ genden beschrieben. In den Figuren 2a bis 2c sind zum besseren Verständnis der Er¬ findung Kennwerte der Vorderradaufhängung graphisch erläutert. Der Übersichtlichkeit halber werden die Kennwerte nur am Bei- spiel des rechten Vorderrades eines Fahrzeuges veranschau¬ licht, das mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet ist. Bei Lenkbe¬ wegungen schwenken die Räder um je eine fahrzeugfeste Drehach¬ se, die als Lenkachse 16 bezeichnet wird. Die Lenkachse 16 ist an zwei Punkten E und G fest mit dem Fahrzeugaufbau verbunden. Die Lage der Lenkachse 16 relativ zu einem mit dem Fahrzeug¬ aufbau fest verbundenen Koordinatensystem X, Y, Z wird durch folgende Kennwerte beschrieben.

Fig. 2a zeigt das Rad 7 in einer Seitenansicht. Der Winkel zwischen der Lenkachse 16 und der Fahrbahnnormalen 17 in der Fahrzeuglängsebene wird als Nachlaufwinkel τ bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Durchstoßpunkt 18 der Lenkachse 16 durch die Fahrbahn 21 und einem idealen RadaufStandspunkt 19 in der Fahrzeuglängsebene wird als Nachlaufstrecke rτ,k bezeichnet.

Fig. 2b zeigt das Rad 7 in einer Ansicht von vorne. Der Winkel zwischen der Lenkachse 16 und der Fahrbahnnormalen 17 in der Fahrzeugquerebene wird als Spreizungswinkel σ bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Durchstoßpunkt 18 der Lenkachse 16 durch die Fahrbahn 21 und dem idealen RadaufStandspunkt 19 in der Fahrzeugquerebene wird als Lenkrollradius rσ bezeichnet.

Schließlich ist in Fig. 2c das Rad 7 in einer Ansicht schräg von vorne gezeigt, in der sowohl der Nachlaufwinkel τ als auch der Spreizungswinkel σ dargestellt sind.

In elektromechanisch oder elektrohydraulisch unterstützenden Lenksystemen wird das vom Fahrer aufgebrachte Lenkmoment ML ge- messen, um die vom Elektromotor aufzubringende Verstärkung VL zu berechnen und einzustellen. Mit der in der Regel lenkwin- kelabhängigen Übersetzung iLi(δ) zwischen Lenkradmoment und der Summenlenkstangenkraft FL,SUm sowie der Lenkverstärkung VLbe- rechnet sich die Summenlenkstangenkraft wie folgt

FL,sum= ML • VL • iLi (δ) (1) .

Die Summenlenkstangenkraft FL,sum resultiert aus der Addition der von der rechten und der linken Spurstange senkrecht auf die Lenkstange wirkenden Kräfte FLr und FLi-

In vom Fahrer mechanisch entkoppelten elektromechanischen oder elektrohydraulischen Lenkungen werden entweder beide Spurstan- genkräfte einzeln (FL,r und FL,i) oder ebenfalls die Summenspur- stangenkraft FL,sum gemessen oder aus dem Motorstrom und/oder der Motorposition des bzw. der Elektromotoren geschätzt. Diese Kräfte werden z. B. für die Generierung des haptischen Lenkge¬ fühls benötigt.

Die Vorgehensweise zur Berechnung der Einzellenkstangenkräfte FL,r und Fi1,i ist bis auf die Parameter und Kraftwirkrichtungen identisch und wird daher im Folgenden am Beispiel eines Rades 7 ohne Radindizes durchgeführt. Die Lenkstangenkraft FL kompen- siert Rückstellmomente, die auf das Rad 7 einwirken und durch unterschiedliche Kräfte erzeugt werden. Die Summe der Rück¬ stellmomente wird mit Mz bezeichnet, weil das gesamte Rück¬ stellmoment um die z-Achse des in Fig. 2 dargestellten Koordi¬ natensystems wirkt.

Zwischen der Lenkstangenkraft FL und dem gesamten Rückstellmo¬ ment Mz um die Lenkachse 16 wirkt eine zweite, ebenfalls lenk- winkelabhängige Übersetzung iL2(δ): M2 = FL . iL2 (δ) (2 ) .

In dem gesamten Rückstellmoment ist auch ein von einer Seiten- kraft Fγ erzeugtes Rückstellmoment enthalten. Der Zusammenhang zwischen der Seitenkraft Fγ und dem von ihr erzeugten Rück¬ stellmoment wird nachfolgend erläutert.

In Fig. 3a ist das Fahrzeugrad 7 wieder in einer Ansicht von der Seite dargestellt. Eine Seitenkraft Fy greift an dem Rad 7 an dem Radaufstandpunkt an. Da die Lenkachse 16 gegenüber der Senkrechten um den Nachlaufwinkel τ gekippt ist, greift die Seitenkraft Fy gegenüber der Lenkachse 16 versetzt an. Der Ab¬ stand zwischen dem Angriffspunkt der Seitenkraft Fγ, der dem RadaufStandspunkt entspricht, und der Lenkachse 16 wird als kinematische Seitenkrafthebelarm nτ>kbezeichnet. Die Seiten¬ kraft Fy, die an dem Seitenkrafthebelarm nT)k angreift, erzeugt' ein Rückstelldrehmoment MZi,y gemäß:

M2,y=Fγ ■ nt>k (3) .

Diese Betrachtung gilt nur für den Fall ohne Fahrzeugbewegung und ohne Schräglauf des Rades 7.

Durch Schräglauf wandert der Angriffspunkt der Seitenkraft Fy um den Reifennachlauf hinter die Radmitte, wodurch sich der Seitenkrafthebelarm verlängert. Der Seitenkrafthebelarm ver¬ längert sich zusätzlich zu dem kinematischen Seitenkrafthebel¬ arm nTrk um die zur Lenkachse senkrechte Komponente Reifennach- laufs rτ,T/. so dass für den gesamten Seitenkrafthebelarm rσ,t gilt:

rσ,t = nτ,k + rτ,T • cos τ (4) . In das Rückstellmoment Mz geht die gesuchte Seitenkraft Fγ über den Seitenkrafthebelarm rσ,t und die kinematische Spreizung σ ein. Das durch die Seitenkraft Fy erzeugte Rückstellmoment wird mit M2,Y bezeichnet:

Mz,γ = Fγ • cos σ • rσ,t (5) .

Durch Einsetzen der Gleichung (4) in Gleichung (5) folgt für das Rückstellmoment MZrY:

Mz,γ= Fγ • cos σ '(nτ,k + rτ,T *cos τ) (6) .

Neben der Seitenkraft Fγ wirken weitere Kräfte momentenbildend auf die Lenkachse. Um diese Momente von dem durch die Seiten¬ kraft erzeugten Moment Mz,γ separieren zu können, werden im Folgenden die einzelnen Berechnungsformein angegeben.

Zu den weiteren Kräften, die sich momentenbildend auf die Lenkachse 16 auswirken, gehört eine Bremskraft FB, die von ei¬ ner Fahrbahn 21 auf ein Rad 7 übertragen wird. In Fig. 4 ist das Fahrzeugvorderrad 7 in einer Ansicht von vorn dargestellt. Die von der Fahrbahn 21 auf das Rad 7 übertragene Bremskraft FB greift in einem Abstand rσvon dem Durchstoßpunkt 18 der Lenk- achse 16 durch die Fahrbahn 21 an. Die Länge des zu der Lenk¬ achse 16 senkrechten Bremskrafthebelarmes rb beträgt

rb = rσ- cos σ (7),

wobei σ den Spreizungswinkel angibt. Unter Berücksichtigung des Nachlaufwinkels τ ergibt sich von der Bremskraft FB erzeugte Moment um die Lenkachse 16 zu MZ,B = FB • cos τ • rb ( 8 ) .

Das durch die Bremskraft erzeugte Rückstellmoment MZ,B ergibt sich somit zu:

MZ,B = FB • cos τ -rσ-cosσ (9)

Diese Berechnung gilt nur für Fahrzeuge mit außenliegender Bremse. Für Fahrzeuge mit innenliegender Bremse ist an Stelle des Bremskrafthebelarmes rb ein Störkrafthebelarm ra zu verwen¬ den, der im nächsten Abschnitt eingeführt wird.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wirkt im Gegensatz zur Bremskraft die Rollwiderstands- und Antriebskraft nicht über den Brems- krafthebelarm rb sondern über den bereits erwähnten Störkraft¬ hebelarm momentenbildend auf die Lenkachse 16. Die unter¬ schiedlichen Wirkhebel kommen zustande, weil für Antriebskraft und Rollwiderstandskraft FR kein Moment sondern nur eine Kraft zwischen Rad und Radträger übertragen wird. Bei Freischneiden in Radmitte ist FR'= FR (siehe Fig. 5) . Damit ergibt sich das durch die Rollwiderstandskraft FR verursachte Rückstellmoment M2,R zu:

Mz,R= FR •COS T -ra (10) .

Hierbei ist ra der senkrecht auf der Lenkachse 16 stehende Störkrafthebelarm, und cos τ berücksichtigt die Kräfteauftei¬ lung aufgrund des Nachlaufwinkels τ. Die Rollwiderstandskraft FR kann aus der Hochkraft Fz und dem Rollwiderstandsbeiwert ge- wonnen werden.

Eine Antriebskraft FA erzeugt ebenfalls über den Störkrafthe¬ belarm ra ein Moment MA um die Lenkachse 16 gemäß MZ,A = FA ' cos τ • ra (11 ) .

Weiterhin erzeugt eine Hochkraft Fz ein Rückstellmoment, das insbesondere bei kleineren Geschwindigkeiten von Bedeutung ist, wenn nur kleine Seitenkräfte auftreten.

Aufgrund der Spreizung σ wirkt die mit cos τ skalierte Hoch¬ kraft F2 abhängig vom Lenkwinkel δ mit dem Hochkrafthebelarm q als Rückstellmoment wie in Fig. 6 gezeigt ist:

Mz,zi = F2 -cos τ -sin σ -sin δ -q (12)

Der Hochkrafthebelarm oder auch Lenkhebelarm q berechnet sich aus dem Reifenradius rdyn, dem Lenkrollradius rσ (Fig. 2b und 4) und dem Spreizungswinkel σ wie folgt:

q = (rσ+rdyn ■ tanσ)-cosσ (13)

Das Rückstellmoment berechnet sich mit dem Hochkrafthebelarm zu:

Mz,zi = Fz 'cos τ -sin σ -sin δ -(rσ+rdyrrtanσ)•cosσ (14)

Die beschriebenen geometrischen Verhältnisse sind in Fig. 6 dargestellt.

Zusätzlich zu dem durch die Spreizung hervorgerufenen Moment erzeugt die Hochkraft Fz aufgrund des Nachlaufs τ ein weiteres Rückstellmoment MZ,Z2:

Mz,z2 = F2 • sin σ • cos τ sin δ • nτ (15), wobei der Nachlaufversatz nt den Abstand zwischen dem Angriffs¬ punkt der Hochkraft Fz und dem Befestigungspunkt am Fahrzeug angibt. Die geometrischen Verhältnisse sind für diese Situati¬ on in Fig. 7 dargestellt.

Die gesuchte Seitenkraft Fγ berechnet sich aus dem über die Lenkstangenkraft FL ermittelten Gesamtrückstellmoment Mz wie folgt. Es gilt, dass das gesamte Rückstellmoment Mz die Summe der einzelnen Rückstellmomente ist:

M2 = Mz,γ + M2,B + Mz,R + M2,A+ Mz,zi + M2,z2 (16)

Für das Seitenkraftmoment Mz,γ gilt Gleichung (6) . Durch Einset¬ zen von Gleichung (6) in Gleichung (16) und Umstellen ergibt sich

Fy= (M2-MZ,B- MZ,R- MZ,A- M2,zi- MZ,Z2)/(cos σ-(nτ,k + r^T• cos τ)) (17).

Aus dieser Gleichung folgt, dass folgende Parameter bestimmt werden müssen, um die Seitenkraft Fγ zu ermitteln: σ: Spreizungswinkel τ: Nachlaufwinkel δ: Lenkwinkel rσ: Lenkrollradius nτ: Nachlaufversatz rdyn: Reifenradius ra: Störkrafthebelarm nτ,k: kinematischer Seitenkrafthebelarm rτ,T: Reifennachlauf

Mittels der für herkömmliche Fahrdynamikregelungen bereits vorhandenen Sensoren werden neben dem bereits erwähnten Lenk- moment MLr der Lenkstangenkraft FL, der Lenkverstärkung VL und der Übersetzungsverhältnisse iLi, iL2 außerdem folgende Größen gemessen: FB: Bremskraft FA: Antriebskraft Fz: Hochkraft

Die Gesamtheit der Parameter und Messgrößen gestattet es schließlich, die Seitenkraft Fγ gemäß Gleichung (17) zu ermit- teln wie es oben beschrieben worden ist.

Die Erfindung ist zwar am Beispiel eines elektromechanischen Lenksystems beschrieben worden, aber sie ist in ganz entspre¬ chender Weise auch auf elektrohydraulische Lenksysteme anwend- bar.