Steuerung von Wankstabilisatoren

Die Erfindung betrifft einen elektrisch verstellbaren Wankstabilisator für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs mit einem zwischen zwei Teilabschnitten des Wankstabilisators angeordneten Aktuator, der zur Erzeugung eines zwischen den Teilabschnitten wirkenden Torsionsmoments ausgebildet ist.

In Fahrwerken von Kraftfahrzeugen sind die Räder bzw. Radaufhängungen der jeweiligen Achse über Stabilisatoren untereinander und mit dem Fahrzeugaufbau verbunden, um insbesondere bei Kurvenfahrten die aufgrund von Querbeschleunigungen auftretende Wankneigung des Fahrzeugaufbaus, also dessen Seitenneigung in kurvenäußere Richtung, zu reduzieren. Beim einseitigen Einfedern des Rades gegenüber dem Fahrzeugaufbau bei einer Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs übt der als Drehstabfeder ausgebildete Stabilisator, auch Wankstabilisator genannt, der an seinen Enden mit den Rädern bzw. Radaufhängungen verbunden ist, eine kopierende Bewegung auf das gegenüberliegende Rad bzw. die Radaufhängung aus. Daraus ergibt sich eine verminderte Seitenneigung. Durch gezielte Wankabstützungen an Vorder- und Hinterachse des Kraftfahrzeugs kann dessen Eigenlenkverhalten verbessert und die Wankneigung vermindert werden. Bei einem einseitigen Einfedern einer der Räder bzw. Radaufhängungen z.B. aufgrund eines Schlaglochs oder einer Erhebung auf der Fahrbahn, wirkt sich die Kopierfunktion des Wankstabilisators in einer ungewünschten Wankbewegung des Fahrzeugs aus.

Durch einen Aktuator, der zwischen zwei Teilabschnitten eines geteilten Stabilisators angeordnet wird und diese zueinander verdrehen kann, können zusätzlich gezielte Stabilisierungsmomente erzeugt werden, was zu einer aktiven Verminderung von Wankbewegungen und damit einer Optimierung des Eigenlenk- und Lastwechselverhaltens des Fahrwerks führt. Der Aktuator besteht dabei häufig aus einem elektrisch bzw. elektronisch geregelten Schwenkmotor, der als mit einem Übersetzungsgetriebe verbundenen Elektromotor ausgeführt sein kann. Die an den Teilabschnitten des Stabilisators erzielte Verstellung wird kontinuierlich an die jeweilige Fahrsituation angepasst, so dass eine Seitenneigung des Fahrzeugauf baus reduziert bzw. eine Wankbewegung vermindert werden kann.

Um den abgesicherten Betrieb oder mit anderen Worten einen für Leib und Leben der Fahrzeuginsassen gefahrlosen Betrieb zu gewährleisten, werden Funktionen benötigt, die bestimmten Sicherheitsausführungen bzw. Sicherheitsstandards genügen. In der Automobilindustrie sind hierzu Anforderungen festgelegt, die in verschiedenen Stufen eingeteilt sind. Hierzu sind sogenannte Automotive Safety Integrity Level festgelegt worden, wobei die Level (=Stufen) sich an einer Gefährdungsanalyse und Risikoabschätzung orientieren. Es werden dazu die potentiellen Gefährdungen eines Systems analysiert und die möglichen Fehlfunktionen in spezifischen Fahrsituationen je nach eingeschätzter Gefährdung bzw. Anforderung in unterschiedlichen Sicherheitsanford e- rungsstufen von A bis D klassifiziert. Dabei ist Level/Stufe A als niedrigste und D als höchste Einstufung zu betrachten (ASIL-A bis ASIL-D). Ist ein System oder ein Sensor nach einem höheren Level eingestuft, so ist festgelegt, dass durch eine sogenannte Dekomposition die Sicherheitseinstufung subsummiert werden kann. So kann z.B. eine ASIL-B-Einstufung durch eine mehrfach ASIL-A und ASIL-A-Einstufung aufgelöst werden. Eine ASIL-C-Einstufung kann durch eine mehrfach ASIL-A und ASIL-B Einstufung aufgelöst werden.

Diese Einstufung bringt es mit sich, dass Sensoren für eine höhere Anforderung und somit für eine höhere Gefährdung aufwändiger und damit auch komplexer und teurer sind. Mit anderen Worten sind Bauteile für eine niedrige Einstufung deutlich günstiger hinsichtlich der Kosten und des Entwicklungsaufwands.

Die Erfindung betrifft das Problem den abgesicherten Betrieb derart zu gestalten, dass eine an sich mit einem höheren Level geforderte Absicherung einer die erwähnte Sicherheit gewährende Funktion bzw. ein System durch eine zumindest 2-stufige Absicherung substituiert bzw. ersetzt wird. Anstatt eines Drehmomentsensors mit einer höheren Einstufung z.B. in ASIL-B zur Erfassung des an dem Wankstabilisator anliegenden Drehmoments einzusetzen, wird vorgeschlagen, dass die Erfassung einer unbeabsichtigten Drehmomentabgabe aufgelöst wird in ein höherwertiges und eine niedrigeres Sicherheitsziel, die entsprechend der Gefahrenanalyse unterschiedlich schwer zu kon- trollierende Gefahrensituationen darstellen. Diese Sicherheitsziele könnten beispielsweise in ASIL-B und ASIL-A unterschieden bzw. aufgelöst werden.

Oberstes Gebot muss es sein, dass das Fahrzeug bei Auftreten eines Fehlers vom Fahrer kontrollierbar weitergeführt werden kann. Gemäß eines ersten Sicherheitsziels soll nach Möglichkeit eine invertierte Drehmomentabgabe in dynamischen Fahrsituationen vermieden werden. Unter„invertiert" ist hier die Drehmomentabgabe mit entgegengesetztem oder falschem Vorzeichen mit weiterer Erhöhung des Wankwinkels zu verstehen, welches dazu führt, dass das Fahrzeug stark wankt. Die Erhöhung kann zu einem schwer zu kontrollierbaren Fahrzustand mit Übersteuern des Fahrzeugs führen, da das Fahrzeug in der jeweiligen dynamischen Fahrsituation, z.B. bei Kurvenfahrt, weiter aus der Kurve gedrängt würde, weil das invertierte Drehmoment der Wankabstützung entgegenwirkt. Dieser Notfall wird daher als höherwertig, z.B. in ASIL-B eingestuft. Würde man diesen Notfall allein über einen Drehmomentsensor bzw. dessen Signal abfangen wollen, so müsste in diesem Fall ein ASIL-B-Sensor eingesetzt werden. Wie gesagt, ist das starke Wanken in einer Kurvenfahrt schwer beherrschbar. Wenn zusätzlich ein Drehmoment mit entgegengesetztem Vorzeichen aufgeprägt wird bildet sich eine fehlerhafte Wankmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse aus. Dieses kann zu einem plötzlichen Übersteuern führen, welches generell schwer kontrollierbar ist.

Um diese Fehlfunktion und das damit verbundene hohe Risiko zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung der Aktuator in Abhängigkeit von bestimmten Fahrzeugwerten, bevorzugt zumindest vom Lenkwinkel und/oder der Fahrgeschwindigkeit und/oder der Querbeschleunigung, hinsichtlich seiner Stellmöglichkeiten eingeschränkt. Mit anderen Worten wird der Stellweg in die betreffende Stellrichtung begrenzt, so dass Verdrehungen hinsichtlich des Stellweges der beiden Stabilisatorhälften in Abhängigkeit der vorgenannten Fahrzeugwerte nicht überschritten werden können. Hierzu kann ein im Aktuator eingesetzter Drehwinkelsensor die Verdrehung erfassen, wobei in dem Steuergerät Schwellwerte quasi als virtueller Anschlag hinterlegt sind, wobei das Steuergerät eine Überschreitung nicht zulässt. Somit kann der Notfall bzw. sicherheitsrelevante Fall nicht eintreten und es kann die ASIL-Einstufung reduziert werden. Die Begrenzungen können als ein Korridor verstanden werden, der durch maximale Schwellwerte begrenzt ist, so dass sich je Stellrichtung maximal mögliche Verstellwege bzw. Verdrehwinkel ergeben. Eine Verstellung, die eine weitere Erhöhung des aktuellen Wankwinkels bewirken würde, wird damit wirkungsvoll verhindert, so dass das Fahrzeug bei Kurvenfahrt nicht noch weiter in kurvenäußere Richtung bewegt wird oder übersteuert und damit kontrollierbar weitergeführt werden kann.

Die Schwellwerte sind dabei nicht als starre Werte zu verstehen. Diese können als Kennlinie in einem Steuergerät hinterlegt sein, so dass in Abhängigkeit von den vorgenannten Fahrzeugwerten die Schwellwerte höher oder geringer ausfallen können und sich z.B. bei höherer Geschwindigkeit ein schmalerer Korridor ergibt als bei einer vergleichsweisen niedrigeren Geschwindigkeit. Für den geschilderten Notfall erfolgt die Dynamikbegrenzung durch den Korridor unabhängig vom im Wankstabilisator eingesetzten Drehmomentsensor, weshalb für diesen die ASIL-Einstufung reduziert werden kann. Statt eines ASIL-B-Sensors kann somit beispielsweise ein ASIL-A-tauglicher Sensor eingesetzt werden.

Ein zweites Sicherheitsziel ist die Vermeidung einer zu hohen Drehmomentabgabe. Dabei kann je nach Verdrehrichtung das Drehmoment als zu hohes positives oder zu hohes negatives Drehmoment verstanden werden. Ein zu hohes Drehmoment kann über den im elektrischen Wankstabilisator vorhandenen Drehmomentsensor ausgelöst werden, wenn dieser fehlerhafte Werte an das Steuergerät liefert. Dieses würde zu einer nicht korrekten bzw. ungleichen Wankmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse führen.

Aufgrund der Tatsache, dass ein zu hohes Drehmoment nicht zwangsläufig ein Verlassen des oben genannten Korridors bewirkt, lässt sich ein zu hohes Drehmoment nicht mittels des Korridors bzw. einer Einschränkung der Stellrichtung oder des Stellweges abfangen, wie zum weiter oben genannten ersten Sicherheitsziel erläutert. Ein zu hohes Drehmoment bedeutet nämlich nicht zwangsläufig, dass in Abhängigkeit von Fahrzeugwerten in die entgegengesetzte Richtung gestellt wird. Der Einfluss eines zu hohen Drehmoments bewirkt verglichen mit der o.g. Situation insgesamt weniger kritische Fahrzustände, so dass hier ein Sicherheitsziel mit einer niedrigeren Sicherheitsstufe, also z.B. ASIL-A statt ASIL-B gewählt werden kann. Zur Erfassung des auf den Wankstabilisator wirkenden Drehmoments wird ein Drehmomentsensor eingesetzt. Mittels des zumindest einen Drehmomentsensors wird ein Signal erfasst und mit in dem Steuergerät hinterlegten Kennwerten verglichen. Dieses wird in Abhängigkeit von bestimmten Fahrzeugwerten, vorzugsweise von Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Lenkwinkel und/oder Querbeschleunigung vorgenommen, um die erfassten Werte zu plausibilisieren. Mit anderen Worten wird der Vergleich angestellt, um festzustellen, ob in der vorliegenden Fahrsituation ein vom Drehmomentsensor erfasstes Drehmoment realistisch ist. Zur sicheren Erfassung eines Fehlerfalls muss das vom Drehmomentsensor abgegebene Signal eine ausreichende Genauigkeit aufweisen. Deshalb wird eine maximale Toleranz für das Drehmomentsignal festgelegt nach der hier vorgesehen ASIL-Einstufung, vorzugsweise nach einer niedrigen ASIL-A- Einstufung. Diese Toleranz kann bei etwa ± 200 Nm liegen, so dass bei Einsatz einer Elastomerentkopplung zur Geräuschminimierung innerhalb des Aktuators ebenfalls eine sichere Drehmomenterfassung ermöglicht ist.

Die Fehlersituation durch ein zu hohes Drehmoment ist für den durchschnittlichen Fahrer an sich leichter zu kontrollieren, da ein eher höheres Drehmoment zu einer zwar fehlerhaften, aber dennoch weiteren, verstärkten Wankabstützung führt. Bei dieser Betrachtung wird davon ausgegangen, dass durch das zu hohe Drehmoment es nicht zu einer negativen Beeinflussung der Wankmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse kommt. Dennoch kann ein zu hohes Wankmoment in äußerst hochdynamischen Fahrsituationen ein Problem darstellen. Es kann sein, dass dem Fahrer ein Gefühl vermittelt wird, das Fahrzeug sei noch stabil zu fahren. Eine hohe Querbeschleunigung kann jedoch möglicherweise, z.B. bei Zunahme der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, bestehendem oder verstärkt auftretendem Fahrer doch nicht mehr vom Rad auf die Straße übertragen werden, weil von den Rädern keine Seitenführungskraft mehr übertragen werden kann. Insbesondere an der Vorderachse kann dann ein Untersteuern auftreten. Untersteuern ist jedoch, beispielsweise durch Verringern der Geschwindigkeit einfacher beherrschbar als Untersteuern.

Für Fehlersituationen mit einem zu hohen Drehmoment ergibt sich somit eine geringere Sicherheitseinstufung. Für den Drehmomentsensor kann bevorzugt auch hier eine ge- ringere ASIL-Einstufung, konkret also statt einer ASIL-B- eine ASIL-A-Einstufung gewählt werden.

Für den abgesicherten Betrieb des elektrischen Wankstabilisators ist es während des Fahrbetriebs erforderlich, dessen Funktion fortwährend zu überwachen. Dieses kann bevorzugt mittels zumindest eines Sensors und/oder einer Steuerung respektive Steuergeräts durchgeführt werden. Dabei werden die Bauteile, wie z.B. der Motor, die Leistungselektronik und weitere elektrische Bauteile auf ihre Funktion hin überwacht. Dabei können in einem Steuergerät eine oder mehrere Kennlinien und/oder Kennfelder hinterlegt sein, so dass die Verdrehung der Wankstabilisatorhälften hinsichtlich ihrer Verdrehrichtung, Verdrehgeschwindigkeit und auch dem Verdrehmoment überwacht werden. Für die beispielhaft vorgenannten Kennwerte können mittels der Kennlinien und/oder Kennfelder Schwellwerte festgelegt sein, so dass bei Überschreiten der Antrieb (Elektromotor) des Wankstabilisators stromlos geschaltet wird oder in einen Sicherheitsbetrieb übergeht. In dem Sicherheitsbetrieb kann beispielsweise der Wankstabilisator in eine Nulllage gefahren und dort starr geschaltet werden, so dass sich dieser wie ein aus dem Stand der Technik bekannter passiver Wankstabilisator verhält.

Insbesondere nimmt das Steuergerät Berechnungen anhand zumindest eines Algorithmus vor. Der zumindest eine Algorithmus ist auf einem Speichermedium, welches bevorzugt innerhalb eines Steuergerätes vorhanden ist, gespeichert. Es wird auf einem Computer, der in dem zumindest einen Steuergerät vorhanden sein kann, ausgeführt.

Das Steuergerät kann im Wankstabilisator selbst oder außerhalb, z.B. im Fahrwerk angeordnet sein. Bevorzugt ist das Steuergerät mit weiteren Steuergeräten, z.B. mit dem ESP-Steuergerät verbunden. Die Steuergeräte kommunizieren bevorzugt über das im Fahrzeug vorhandene Bussystem, vorzugsweise CAN- oder Flexbus, miteinander. Über die im Steuergerät hinterlegten Kennlinien bzw. -felder kann im Sinne einer Plausibili- tätsprüfung erkannt werden, ob ein Sensor unüblich hohe Drehmoment- oder Drehwinkelwerte anzeigt. Das Steuergerät kann in diesen Fällen in einen Sicherheitsbetrieb schalten und oben genannte Maßnahmen einleiten. Je nach Anforderung können zusätzliche Fahrzeugwerte genutzt werden. Diese können beispielsweise über Sensoren im Fahrwerk gemessen und an das Steuergerät gesendet werden. So kann ein Höhenstandssignal über die Position einzelner Räder zur Karosserie ermittelt werden. Über im Fahrwerk vorhandene Sensoren können Nick- oder Wankbewegungen des Fahrzeugs und somit die Lage der Karosserie bzw. des Fahrzeugs gegenüber der Fahrbahn ermittelt werden, wenn diese Sensoren in Gelenke verbaut sind, die Fahrwerksbauteile miteinander verbinden. Hierzu können in Kugelgelenken, die als Trag- oder Führungsgelenk ausgebildet sind, vorzugsweise berührungslose Lagesensoren ausgebildet sein, die die Lageerfassung des Kugelzapfens zu seinem Gehäuse ermöglichen.

Alternativ kann das Steuergerät weitere verstellbare Bauteile zur Wankstabilisierung aktivieren bzw. steuern, um eine fehlerhafte Wankmomentverteilung aufgrund der oben genannten Fehlfunktionen zu minimieren. Hierzu können aktive Schwingungsdämpfersysteme oder in der Reibung verstellbare Kugelgelenke im Fahrwerk im Rahmen des möglichen angesteuert werden, um die Wankmomentverteilung zu verbessern, so dass für den Fahrer ein beherrsch bares bzw. kontrollierbares Fahren möglich wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 als schematische Darstellung eine Frontansicht auf ein mit einem verstellbaren Wankstabilisator versehenes Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs,

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Fahrzeugaufbau 1 eines ein Fahrwerk 2 aufweisenden Kraftfahrzeugs bezeichnet. Das Fahrwerk 2 weist Radaufhängungen 3 und 4 auf, deren Lenker 5 und 6 über Federbeine 7 und 8 am Fahrzeugaufbau 1 abgestützt sind. Wie weiterhin aus der Darstellung hervorgeht, greift jeweils an den Radaufhängungen 3 und 4 mit seinen Enden ein verstellbarer Wankstabilisator 9 an. Es handelt sich dabei um einen in zwei Teilabschnitte 10 und 11 geteilten Stabilisator 12 mit einem zwischen den Teilabschnitten 10 und 11 angeordneten Aktuator 13. Mittels dieses Aktuators 13 lassen sich zwischen den Teilabschnitten 10 und 11 unterschiedliche Torsionsmomente erzeugen, wodurch in Abhängigkeit von den Fahrzuständen des Personen kraftfahrzeugs zwischen dem Fahrzeugaufbau 1 und dem Fahrwerk 2 auftretenden Kräfte und Momente variiert werden können. Jeder der Teilabschnitte 10 und 11 ist dabei drehbar über ein Aufbaulager 14 und 15 am Fahrzeugaufbau 1 geführt. Eine Steuereinrichtung 16, der beliebige Messwerte, wie zum Beispiel eine Querbeschleunigung oder ein Wandwinkel zugeführt werden, ist mit dem Aktuator 13 verbunden.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm, welches mögliche Verfahrensschritte darstellt. Die gewählte Darstellung bedeutet keine zwingende Reihenfolge bei der Abarbeitung der genannten Schritte. Auch können weniger oder weitere Verfahrensschritte vorgesehen sein. In einem Schritt 20 wird von einem Steuergerät 16 fortwährend die Sensorik bzw. deren Signale im Wankstabilisator 9 ausgelesen und ausgewertet. In einem weiteren Schritt 30 wird im Steuergerät 16 die Verstellrichtung bzw. der Verstellweg verarbeitet, in dem die Signale des Verdrehwinkelsensors fortwährend ausgelesen werden. In einem weiteren Schritt 40 wird im Steuergerät 16 das Signal des Drehmomentsensors ausgelesen und verarbeitet. In Abhängigkeit der fortwährend ausgelesenen Daten von Fahrzeugwerten, wie Fahrgeschwindigkeit, Querbeschleunigung und Lenkwinkel, bestimmt das Steuergerät, ob ein Fehler vorliegt. Insbesondere nimmt das Steuergerät Berechnungen anhand zumindest eines Algorithmus vor.

In einem Schritt 35 wird der maximale zulässige Verstellweg in Abhängigkeit von den zuvor genannten Fahrzeugwerten bestimmt und die Maximalwerte für den Verstellweg repräsentierenden Kennlinien entsprechend angepasst.

In einem Schritt 45 wird das maximale zulässige Drehmoment in Abhängigkeit von den zuvor genannten Fahrzeugwerten unter Berücksichtigung der zulässigen Toleranz von ±200 Nm bestimmt und mit Plausibilitätswerten verglichen.

In einem weiteren Schritt 200 gibt das Steuergerät 16 Steuersignale an den Wankstabilisator 9 weiter, so dass dieser mit geänderten Signalen, z.B. eingeschränktem Verstellweg oder geändertem Drehmoment betrieben bzw. gesteuert wird. Der Wankstabili- sator 9 kann z.B. auch in Nullposition gefahren und starr geschaltet werden, so dass sich dieser wie ein herkömmlicher starrer Wankstabilisator verhält.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.

Bezugszeichen Fahrzeugaufbau

Fahrwerk

Radaufhängung

Radaufhängung

Lenker

Lenker

Federbein

Federbein

verstellbarer Wankstabilisator

Teilabschnitt

Teilabschnitt

Aktuator

Aufbaulager

Aufbaulager

Steuergerät

, 40, 45, 50, 200 Verfahrensschritte