Beschreibung An den Beladungszustand eines Fahrzeugs angepasstes Fahrdynamikregelungssystem Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren eines Fahrzeugs in kippkritischen Situationen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Fahrdynamikregelungssystem zur Kippstabilisierung eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Fahrzeuge mit hohem Schwerpunkt, wie z. B. Minivans, SUVs (Sport Utility Vehicles) oder Transporter, neigen insbesondere bei Kurvenfahrten mit zu hoher Querbeschleu- nigung zum Kippen um die Längsachse. Es werden daher häufig Kippstabilisierungssysteme, wie z. B. ROM (Roll-Over- Mitigation) eingesetzt, mit denen kippkritische Situationen . frühzeitig erkannt und Stabilisierungsmaßnahmen ausgelöst werden können. Bekannte Fahrdynamikregelungssysteme, wie z. B.

ESP, mit Kippstabilisierungsfunktion (ROM) greifen in der Regel mittels des Bremssystems, des Motormanagements oder einer aktiven Lenkung in den Fahrbetrieb ein, um das Fahrzeug zu stabilisieren. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Fahrdynamikregelungssystem mit ROM-Funktion ist beispielhaft in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte schematische Blockdarstellung eines bekannten ROM-Systems, das im wesentlichen ein Steuergerät 1 mit einem ROM-Regelalgorithmus 4,5, eine Sensorik 2 zum Erkennen eines kippkritischen Fahrzustandes und einen Aktuator 3 zum Durchführen eines Stabilisierungseingriffs umfasst. Erkennt das Steuergerät 1 aufgrund der Sensorsignale der ESP-Sensorik 2 eine

kippkritische Situation, greift die Fahrdynamikregelung z. B. durch Betätigung der Radbremse am kurvenäußeren Vorderrad in den Fahrbetrieb ein. Dadurch wird die Querbeschleunigung und die Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs verringert und das Fahrzeug stabilisiert. Andere Systeme nutzen z. B. ein aktives Feder/Dämpfersystem (Normalkraftverteilungssystem), das Motormanagement oder ein aktives Lenksystem, um das Fahrzeug zu stabilisieren.

Eine wesentliche Ursache für das Kippen eines Fahrzeugs um die Längsachse ist in der Regel eine zu hohe Querbeschleunigung. Moderne Fahrdynamikregelungssysteme nutzen daher üblicherweise eine die Querdynamik des Fahrzeugs beschreibende Größe (die im Folgenden als Indikatorgröße S bezeichnet wird), um eine kippkritische Fahrsituation zu erkennen. Die Indikatorgröße wird mit einem charakteristischem Schwellenwert verglichen und bei überschreiten der Schwelle ein Stabilisierungseingriff ausgelöst. Die Indikatorgröße bestimmt üblicherweise auch die Stärke des Stabilisierungseingriffs.

Fig. 2 zeigt die verschiedenen Eingangsgrößen, die in die Berechnung der Indikatorgröße S einfließen. Eine wesentliche Komponente ist dabei die Querbeschleunigung ay des Fahrzeugs.

Da die Querbeschleunigung ay der Lenkvorgabe (Lenkrad- stellung) phasenverzögert folgt, wird der Messwert der Querbeschleunigung ay üblicherweise in Abhängigkeit von der änderung des Lenkwinkels und gegebenenfalls weiterer Einflussgrößen P, wie z. B. der zeitlichen änderung der Querbeschleunigung day/dt, erhöht. Die resultierende sogenannte effektive Querbeschleunigung, die gleichzeitig die Indikatorgröße S bildet, ist somit eine Funktion F der Querbeschleunigung ay, der zeitlichen änderung der Querbeschleunigung day/dt des Fahrzeugs und gegebenenfalls weiterer Einflussgrößen P.

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, werden die Eingangsgrößen ay, day/dt, P gemäß einer Funktion 4 verknüpft und daraus die Indikatorgröße S berechnet. Die so gewonnene Indikatorgröße S wird schließlich dem Regelalgorithmus 5 zugeführt und bestimmt die Dauer und Stärke des Regeleingriffs.

Das Kippverhalten eines Fahrzeugs ist neben den konstruktiven Eigenschaften des Fahrzeugs im wesentlichen von der Beladung abhängig. Mit zunehmender Beladung wächst in der Regel die Kippneigung des Fahrzeugs und umgekehrt. Darüber hinaus können sich auch konstruktive Merkmale, wie z. B. die Federung, altersbedingt verändern und somit auf die Kippneigung des Fahrzeugs auswirken. Beladung und mechanischer Zustand werden bei den bekannten Fahrdynamik- regelungen mit Kippstabilisierungsfunktion ROM üblicherweise nicht explizit berücksichtigt.

Bekannte Kippstabilisierungsfunktionen ROM sind daher üblicherweise sehr empfindlich, d. h. auf hohe Beladungszustände und weiche Federung abgestimmt, um insbesondere bei Fahrzeugen'mit hoher Beladungsvarianz wie z. B. SUVs oder Kleintransportern, ein sicheres Fahrverhalten zu gewährleisten. Dies führt dazu, dass bei normaler Beladung ein Stabilisierungseingriff schon bei sehr niedrigen Querbeschleunigungswerten ausgelöst wird. D. h., bei normaler oder geringer Beladung können die Kippstabilisierungs- eingriffe zu früh und zu heftig stattfinden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kippstabilisierung von Fahrzeugen, sowie ein entsprechendes Fahrdynamikregelungssystem zu schaffen, mit dem der Beladungszustand eines Fahrzeug und somit dessen Kippneigung in einfacher Weise abgeschätzt und im Rahmen eines Kippstabilisierungsalgorithmus berücksichtigt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 9 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die aktuelle Kippneigung des Fahrzeugs zu bestimmen, indem wenigstens die Masse des Fahrzeugs (oder der Zuladung) ermittelt wird, und das Reglerverhalten des Kippstabili- sierungsalgorithmus auf die aktuelle Fahrzeugmasse abzustimmen. Dadurch kann der Kippstabilisierungsalgorithmus an den jeweiligen Beladungszustand bzw. die jeweilige Kippneigung des Fahrzeugs angepasst werden.

Die Fahrzeugmasse kann z. B. mittels einer Sensorik, wie z. B. einer Radkraftsensorik zur Bestimmung der Normalkräfte (Radaufstandskräfte) oder einer Sensorik zur Messung des Einfederwegs bestimmt werden. Wahlweise kann die Fahrzeugmasse auch durch Auswertung des Fahrverhaltens, wie z. B. des Beschleunigungs-oder Bremsverhaltens des Fahrzeugs, unter Aufstellung einer Kräfte-oder Momentenbilanz geschätzt werden. Hierzu sind verschiedene Schätzverfahren bereits bekannt. Das Schätzen der Fahrzeugmasse hat den Vorteil, dass neben der ohnehin vorhandenen ESP-Sensorik keine weitere Sensorik vorgesehen werden muss. Zum Schätzen der Fahrzeugsmasse werden z. B. die Raddrehzahlsensoren und das Motormomentensignal ausgewertet, optional ein Querbeschleunigungs-und Gierratensensor, ein Lenkwinkelsensor und/oder ein Längsbeschleunigungssensor.

Die erhaltene (gemessene oder geschätzte) Information über die Fahrzeugmasse kann schließlich von der Fahrdynamik- regelung berücksichtigt werden.

Die Kippneigung eines Fahrzeugs wird neben der Höhe (Masse) der Zuladung insbesondere auch durch die Position bzw.

Verteilung der Zuladung beeinflusst. Es wird daher

vorgeschlagen, vorzugsweise auch eine Information über die Position der Zuladung, insbesondere die Schwerpunktshöhe (der Zuladung oder des Fahrzeugs), zu ermitteln und bei der Kippstabilisierung zu berücksichtigen.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Fahrzeugschwerpunkt (dies umfasst auch eine Information, aus der sich der Fahrzeugschwerpunkt herleiten lässt) zusätzlich durch Auswertung einer charakteristischen Geschwindigkeit vh des Fahrzeugs geschätzt. Die charakteristische Geschwindigkeit ist ein Parameter in der bekannten "Ackermann-Gleichung"und beschreibt das Eigenlenkverhalten eines Fahrzeugs. Bei üblicher Fahrwerksauslegung gilt, dass ein Fahrzeug bei einer Verschiebung des Schwerpunkts nach oben ein stärker untersteuerndes Fahrverhalten zeigt und somit eine kleinere charakteristische Geschwindigkeit hat und umgekehrt. Bei einer Verschiebung des Schwerpunkts (bei konstanter Masse und Schwerpunktshöhe) nach hinten, zeigt ein Fahrzeug dagegen ein weniger untersteuerndes Fahrverhalten und somit eine höhere charakteristische Geschwindigkeit Vch und umgekehrt. Die charakteristische Geschwindigkeit vh wird bei bekannten Fahrdynamikregelungen üblicherweise selbst wiederum geschätzt. Aus der Abweichung der geschätzten charakteristischen Geschwindigkeit VchEst von der nominalen charakteristischen Geschwindigkeit VchNom kann somit zumindest qualitativ eine Information über die Position der. Ladung (Höhe des Schwerpunkts und/oder Position in Längsrichtung des Fahrzeugs) gewonnen werden.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die Position des Fahrzeugschwerpunkts und insbesondere die Schwerpunktshöhe aus einer Betrachtung der Radaufstandskräfte an einem kurveninneren und einem kurvenäußeren Rad bei einer Kurvenfahrt geschätzt werden. Bei einem hohen Massen- schwerpunkt'ist die Radaufstandskraft am kurvenäußeren Rad vergleichsweise höher als bei einem niedrigen Massen- schwerpunkt (gleiche Masse der Zuladung) bei gleicher

Querbeschleunigung. Durch die erhöhte Kippneigung des Fahrzeugs werden die kurveninneren Räder bei hohem Massenschwerpunkt stärker entlastet. Aus dem Verhältnis der Radaufstandskräfte FN1/FNr eines kurveninneren und eines kurvenäußeren Rades lässt sich somit die Höhe des Fahrzeugschwerpunkts qualitativ abschätzen.

Die Radaufstandskräfte FN können wiederum entweder mittels einer geeigneten Sensorik gemessen oder aus dem Verhältnis der Radschlüpfe der einzelnen Räder geschätzt werden. Die Radschlüpfe können wiederum mittels der ohnehin vorhandenen ESP-Sensorik, insbesondere der Raddrehzahlsensoren, berechnet werden.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung können die in den Ausführungsformen 1 und 2 beschriebenen Schätzverfahren kombiniert werden, um eine qualitative Verbesserung und eine höhere Verfügbarkeit der geschätzten Schwerpunktshöhe zu erreichen.

Die erfindungsgemäß ermittelte Information über die Kippneigung des Fahrzeugs (d. h. die Fahrzeugmasse und ggf. zusätzlich die geschätzte Position des Schwerpunkts) kann gemäß einer ersten Ausführungsform in die Berechnung der Indikatorgröße S einfließen und somit den Auslösezeitpunkt bzw. Deaktivierungszeitpunkt der Regelung beeinflussen.

Wahlweise kann die Information über die Kippneigung auch in den Kippstabilisierungsalgorithmus selbst einfließen und eine charakteristische Eigenschaft des Algorithmus, wie z. B. eine Anregelschwelle (ay, krit), eine Regelabweichung, z. B. für einen Radschlupf, oder eine Stellgröße, wie z. B. das Bremsmoment oder das Motormoment, beeinflussen. Die charakteristische Eigenschaft des Algorithmus ist somit eine Funktion der Kippneigung des Fahrzeugs, d. h. der Fahrzeugmasse und ggf. zusätzlich der Position des Fahrzeugschwerpunkts. Bei hoher Kippneigung, d. h. hoher Fahrzeugmasse oder hohem Schwerpunkt,

kann somit ein Stabilisierungseingriff früher eingeleitet oder mit stärkerem Ausmaß durchgeführt werden als bei geringer Kippneigung.

Ein erfindungsgemäßes Fahrdynamikregelungssystem mit Kippstabilisierungsfunktion umfasst vorzugsweise eine Einrichtung (Sensorik oder Schätzalgorithmus), mittels der die Fahrzeugmasse und/oder die Position des Fahrzeugschwerpunkts berechnet oder geschätzt werden kann, ein Steuergerät, in dem der Kippstabilisierungsalgorithmus hinterlegt ist, wobei der Kippstabilisierungsalgorithmus derart realisiert ist, dass das Regelverhalten des Algorithmus von der Fahrzeugmasse und/oder der Position des Fahrzeugschwerpunkts abhängig ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung eines bekannten Kippstabilisierungssystems ; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Funktion zur Bildung einer Indikatorgröße S ; Fig. 3 eine Blockdarstellung eines Kippstabilisierungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ; Fig. 4 die Schlupf-und Aufstandskraftverhältnisse bei Geradeaus-und Kurvenfahrt ; und Fig. 5. die Abhängigkeit der kritischen Querbeschleunigung von der Schwerpunktshöhe.

Bezüglich der Erläuterung der Fig. 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.

Fig. 3 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Kippstabilisierungssystems. Das System umfasst im wesentlichen ein Steuergerät 1 mit einem Kippstabilisierungs- algorithmus ROM (Roll-Over-Mitigation), eine Sensorik 2 zum Erfassen von Fahrzustandsgrößen und verschiedene Aktuatoren 9,10, mit denen die erforderlichen Stabilisierungseingriffe umgesetzt werden. Die Blocks 4,7, 8 sind in Software realisiert und dienen der Verarbeitung der Sensorsignale (Block 7), der Schätzung der Kippneigung (durch Schätzung der Fahrzeugmasse und der Position des Schwerpunkts) des Fahrzeugs (Block 8), und der Erzeugung einer Indikatorgröße S (Block 4).

Das Kippstabilisierungssystem nutzt in diesem Beispiel ausschließlich die bereits vorhandene ESP-Sensorik 2 sowohl zum Erkennen einer kippkritischen Fahrsituation als auch zum Schätzen der Fahrzeugmasse m und der Höhe des Schwerpunkts h, p. (Wahlweise könnte auch eine zusätzliche Sensorik vorgesehen sein, mittels der die gesuchten Größen (m, hop ? gemessen werden können.) Die ESP-Sensorik 2 umfasst insbesondere Raddrehzahlsensoren, einen Lenkwinkelsensor, einen Querbeschleunigungssensor, einen Gierratensensor, etc.. Die Sensorsignale werden in Block 7 verarbeitet und dabei insbesondere entstört und gefiltert. Vorzugsweise wird auch eine Plaüsibilitäts- überwachung der Sensorsignale durchgeführt.

Ausgewählte Signale, nämlich die Querbeschleunigung ay, der Gradient day/dt und gegebenenfalls weitere Größen P fließen in den Block 4. Darin wird, wie vorstehend bezüglich Fig. 2 beschrieben wurde, eine Indikatorgröße S berechnet, die die Freigabe bzw. Deaktivierung von Stabilisierungseingriffen steuert. Die Indikatorgröße S bestimmt dabei auch die Stärke der Stabilisierungseingriffe.

Um unterschiedliche Beladungszustände des Fahrzeugs bei der Kippstabilisierung berücksichtigen zu können, ist zusätzlich ein Block 8 vorgesehen. Block 8 umfasst Algorithmen, mit denen sich die Fahrzeugmasse m (bzw. eine Information, aus der sich die Fahrzeugmasse ableiten lässt) und die Höhe des Fahrzeugschwerpunkts hsp schätzen lassen. Die gesuchten Schätzgrößen m, hsp werden insbesondere aus der Querbeschleunigung ay, den Raddrehzahlen n, dem Motormoment und der Gierrate ermittelt.

Die Schätzwerte m, hsp werden schließlich dem Kippstabilisierungsalgorithmus zugeführt und dazu verwendet, eine charakteristische Eigenschaft des Algorithmus, wie z. B. eine Anregelschwelle (ay, krit), eine Regelabweichung, z. B. für einen Radschlupf, oder eine Stellgröße, wie z. B. das Bremsmoment oder das Motormoment, zu verändern. Wahlweise könnte auch die Indikatorgröße S modifiziert werden. Die charakteristische Eigenschaft des Algorithmus ist somit eine Funktion der Fahrzeugmasse m und/oder der Position des Fahrzeugschwerpunkts hsp. Bei hoher Kippneigung, d. h. hoher Fahrzeugmasse m oder hohem Schwerpunkt hsp, kann somit ein Stabilisierungseingriff früher eingeleitet oder mit stärkerem Ausmaß durchgeführt werden als bei geringer Kippneigung.

Die Fahrzeugmasse m wird z. B. bei einem Brems-oder Beschleunigungsvorgang durch Aufstellung einer Kräftebilanz der am Fahrzeug wirkenden Kräfte unter Berücksichtigung der Beschleunigung bzw. Verzögerung des Fahrzeugs ermittelt.

Die Position des Schwerpunkts in z-Richtung (vertikale Richtung) als auch in Fahrzeuglängsrichtung (vorne, hinten) kann beispielsweise über die charakteristische Geschwindig- keit Vch des Fahrzeugs geschätzt werden. Die charakteristische Geschwindigkeit ich zist ein Parameter, der das Eigenlenkverhalten eines Fahrzeugs beschreibt. Nach der Ackermann-Gleichung, die die Gierrate d/dt eines Fahrzeugs gemäß dem sogenannten"Einspurmodell"berechnet, gilt :

wobei vx die Fahrzeuggeschwìndigkeit in Längsrichtung, öR der Lenkwinkel, 1 der Radstand und vCh die charakteristische Geschwindigkeit ist.

Bei üblicher Fahrwerksauslegung gilt, dass ein Fahrzeug bei einer Verschiebung des Schwerpunkts nach oben ein stärker untersteuerndes Fahrverhalten zeigt und somit eine kleinere charakteristische Geschwindigkeit Vch hat und umgekehrt. Bei einer Verschiebung des Schwerpunkts (bei konstanter Masse und Schwerpunktshöhe) nach hinten, zeigt ein Fahrzeug dagegen ein weniger untersteuerndes Fahrverhalten und somit eine höhere charakteristische Geschwindigkeit Vch und umgekehrt.

Durch Abschätzung der charakteristischen Geschwindigkeit Vch aus der vorgenannten Beziehung lässt sich zumindest eine qualitative Information über die Position des Fahrzeug- schwerpunkts bzw. die Verteilung der Zuladung im Fahrzeug ermitteln. Je nachdem, ob die geschätzte charakteristische Geschwindigkeit größer oder kleiner ist als ein Nominalwert Vch, nominal (z. B. ohne Zuladung) kann somit eine Aussage über die Position des Masseschwerpunkts getroffen werden. Die nachfolgende Tabelle gibt einen überblick über die qualitativen Aussagen, die durch Abschätzung der charakte- ristischen Geschwindigkeit Vch getroffen werden können. Die erste Tabelle, gilt dabei beispielhaft für kleine Zuladung und die zweite Tabelle für große Zuladung. kleine Zuladung Beladung mittig Beladung hinten hoher . VCh<Vch_nominal VCh< Vch-nominal Ladungsschwerpunkt niedriger VChzVch_nominal VCh>Vch_nominal Ladungsschwerpunkt--

hohe Zuladung Beladung mittig Beladung hinten hoher VCh « Vch nominal VCh<Vch_nominal Ladungsscherpunkt'- niedriger Vch"Vch nominal Vch »Vch nominal Ladungsschwerpunkt Wahlweise kann die Schwerpunktshöhe auch aus den Radaufstandskräften an kurveninneren und kurvenäußeren Rädern bei Kurvenfahrt geschätzt werden. Bei einem hohen Massen- schwerpunkt (d. h. hohe Zuladung) ist die Radaufstandskraft am kurvenäußeren Rad vergleichsweise höher als bei einem niedrigen Massenschwerpunkt bei gleicher Querbeschleunigung.

Durch die erhöhte Kippneigung des Fahrzeugs werden die kurveninneren Räder bei hohem Massenschwerpunkt stärker entlastet. Aus dem Verhältnis der Radaufstandskräfte FN, IFN, kurveninnerer und kurvenäußerer Räder lässt sich somit die Höhe des Fahrzeugschwerpunkts qualitativ schätzen.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des Radaufstandskraftverhältnis EN,/Fu, und der Radschlüpfe ä an einem linken und einem rechten Rad (Indizes 1, r ; hier ist FB1 = FBr). Bis zum Zeitpunkt to fährt das Fahrzeug geradeaus und dann in eine Linkskurve. Der Radschlupf A1 (Antriebs-oder Bremsschlupf) am kurveninneren linken Rad nimmt dabei zu, der am rechen Rad ab. Das Radaufstandskraftverhältnis FN1/FNr sinkt entsprechend, wie in der Figur zu erkennen ist. Durch die Auswertung des Radaufstandskraftverhältnisses in Abhängigkeit von der Querbeschleunigung lässt sich wiederum die Schwerpunktshöhe schätzen.

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der Querbeschleunigung ayAR (bei der das kurveninnere Hinterrad vom Boden abhebt) von der Schwerpunktshöhe h"p (Bei der kritischen Querbeschleunigung ay_krit kippt das Fahrzeug um). Wie zu erkennen ist, nimmt die Querbeschleunigung ayAR mit zunehmender Schwerpunktshöhe hsp ab. Durch zusätzliches Bremsen (siehe Verzögerung ax)

reduziert sie sich weiter. Das Abheben eines Hinterrades kann somit erfasst und die Schwerpunkthöhe geschätzt werden.

Durch eine Kombination der beiden Verfahren zur Schwerpunktshöhen-Bestimmung lässt sich eine qualitative Verbesserung und eine höhere Verfügbarkeit der geschätzten Schwerpunktshöhe erreichen.

Bezugszeichenliste 1 Steuergerät 2 ESP-Sensorik 3 Aktuator 4 Funktion zu Berechnung der Indikatorgröße 5 Kippstabilisierungsalgorithmus 6 zusätzliche Sensorik 7 Signalaufbereitung 8 Masse-und Schwerpunktsschätzung 9 Bremssystem 10 Motormanagement S Indikatorgröße FN Radaufstandskraft FB Radtangentialkraft m Fahrzeugmasse hsp Schwerpunktshöhe ay Querbeschleunigung ax Längsbeschleunigung P Parameter n Raddrehzahlen X Radschlupf