DE102004016288B3

DE102004016288B3 - Verfahren zur Bestimmung eines Reibwerts

Info

Publication number: DE102004016288B3
Application number: DE102004016288A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Ammon; Günther Mäckle; Jorge Cases Andreu
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-04-03
Also published as: WO2005095173A1; US20070050121A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Reibwerts, bei dem Schwingungen eines Reifens (1) erfasst und eine Charakteristik der Reifenschwingung, insbesondere ein Frequenzspektrum und/oder ein Zeitbereichsspektrum, ausgewertet ist. Es werden folgende Schritte durchgeführt: DOLLAR A - Daten werden mittels physikalischer und/oder phänomenologischer Modellansätze ausgewertet, DOLLAR A - Auswertesignale in zumindest zwei Frequenzbändern werden beobachtet, DOLLAR A - Amplituden der Auswertesignale werden mit reibwertabhängigen und von einem aktuellen Kraftübertragungszustand des Reifens (1) abhängigen Erfahrungswerten verglichen, DOLLAR A - ein Reibwert wird bestimmt, DOLLAR A - aus dem Reibwert wird eine maximal zur Verfügung stehende, vom Reifen (1) auf die Fahrbahn (5) übertragbare Kraft bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Reibwerts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die für die Übertragung von Brems-, Beschleunigungs- und Seitenführungskräften erforderliche Reibung zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahn ist vom Straßenzustand, bei nasser Fahrbahn insbesondere von dem auf der Fahrbahn befindlichen Wasserfilm, abhängig. Eine unmittelbare Berührung zwischen Fahrzeugreifen und Fahrbahn ist möglich, wenn der Wasserfilm wenigstens in einem Wesentlichen Teil des Abplattungsbereichs des Fahrzeugreifens verdrängt werden kann.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen eine Fahrbahnzustandsbewertung vorgenommen wird. Weiterhin werden bei allgemein bekannten Antiblockiersystemen (ABS) oder Antischlupfregelsystemen (ASR) Raddrehzahlen zwischen angetriebenen und nicht angetriebenen Fahrzeugrädern ausgewertet, um einen aktuellen Reibwert anhand eines Radschlupfes zu erkennen und entsprechend in den Fahrbetrieb einzugreifen.

Aus der DE 195 43 928 C2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Aquaplaninggefahr frühzeitig erkannt wird, indem eine Verstimmung rotatorischer Reifeneigenschwingungen erfasst und bewertet wird. Die Verstimmung hängt unmittelbar mit der Größe der Kontaktzone zwischen Reifen und Fahrbahn zusammen, die bei Annäherung an den Aquaplaning-Zustand sich stetig verkleinert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung eines Reibwerts anzugeben, mit dem die Fahrzeugsicherheit weiter erhöht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung und den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Reibwerts wird eine Reihe von Schritten durchgeführt. Es werden Daten mittels physikalischer und/oder phänomenologischer Modellansätze ausgewertet, Auswertesignale, insbesondere Frequenzsignale und/oder Zeitsignale, von Reifenschwingungen in zumindest zwei Frequenzbändern beobachtet, Amplituden der Auswertesignale mit reibwertabhängigen und von einem aktuellen Kraftübertragungszustand des Reifens abhängigen Erfahrungswerten verglichen, ein Reibwert bestimmt, und aus dem Reibwert wird eine maximal zur Verfügung stehende, vom Reifen auf die Fahrbahn übertragbare Kraft bestimmt.

Im Gegensatz zur bloßen Bestimmung eines aktuellen Reibwerts erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Abschätzung einer verfügbaren Reserve einer übertragbaren Kraft zwischen Reifen und Fahrbahn. Das Verfahren verwendet Daten auf der Basis von Reifenschwingungsmodellen der Reifenschwingungen und Fahrzeug-Bord-Sensoren. Betriebsparameter des Fahrzeugs, wie Geschwindigkeit, Drehmoment, Abstand eines Fahrzeugs zu einem vorausfahrenden Fahrzeug und dergleichen, können entsprechend eingestellt werden, um das Fahrzeug außerhalb eines kritischen Fahrzustands zu halten. Dies ermöglicht eine besonders sichere Betriebsweise. Bevorzugt kann beispielsweise ein Brems- oder Ausweichvorgang abhängig von der maximal zur Verfügung stehenden, vom Reifen auf die Fahrbahn übertragbaren Kraft gesteuert werden.

Besonders vorteilhaft ist, die aus dem Verfahren extrahierte Kraftreserve beispielsweise einem bordeigenen Fahrdynamiksystem oder einem Assistenzsystem zur Verfügung zu stellen, um damit das Fahrzeug zu bewegen oder eine Warnung an den Fahrer auszugeben.

Wird eine Plausibilitätsbetrachtung zwischen den Auswertesignalen, insbesondere Zeitbereichs- und/oder Frequenzsignalen, von angetriebenen und nicht angetriebenen Rädern durchgeführt, kann sichergestellt werden, dass eine Fehlfunktion erkannt wird. In der Regel unterliegen die Reifen eines Fahrzeugs denselben Randbedingungen wie Temperatur, Straßenverhältnisse und dergleichen. Stimmen die Reibwerte für die Reifen der angetriebenen und der nicht angetriebenen Räder nicht überein, deutet dies auf eine Fehlfunktion hin. Ein entsprechender Eingriff in eine Fahrzeugsteuerung unterbleibt zweckmäßigerweise in diesem Fall, und es kann eine Warnmeldung ausgegeben werden, insbesondere wenn die Reibwerte über eine Fahrzeugsteuerung oder Assistenzsysteme in den Fahrbetrieb eingehen.

Vorzugsweise werden Auswertesignale, insbesondere Zeitbereichs- und/oder Frequenzsignale, der angetriebenen und der nicht angetriebenen Räder zur Kompensation von Störgrößen herangezogen. Der Vorteil ist, dass die Reifen im Wesentlichen gleichen Umweltbedingungen unterliegen, wie etwa Temperatur, Straßenbelagsart und dergleichen. Die nicht angetriebenen Räder befinden sich im Fahrbetrieb im Zustand des freien Rollens, so dass anhand von Unterschieden im Verhalten der ange triebenen zu den nicht angetriebenen Rädern eine Kompensation von Einflüssen der Temperatur oder des Straßenbelags erfolgen kann. Weitere Einflussgrößen können über Sensordaten bordeigener Sensoren und Informationsquellen berücksichtigt werden. Zweckmäßigerweise werden Zustände mit bestimmten Mindestdauern betrachtet, deren Länge hauptsächlich von der Auflösung der verwendeten Raddrehzahlsensoren abhängig ist.

Wird der aktuelle Kraftübertragungszustand anhand von Fahrzuständen Rollen, Beschleunigen/Verzögern und/oder Kurvenfahrt bewertet, kann auf einfache Weise ein an einen aktuellen Fahrzustand angepasster Reibwert bestimmt werden.

Werden die reibwertabhängigen Erfahrungswerte wenigstens für Fahrbahnzustände trocken, feucht, nass, Schneebelag, Eisbelag herangezogen, kann auf einfache Weise ein an einen Zustand der Fahrbahn angepasster Reibwert bestimmt werden. Zur Beurteilung eines aktuellen Fahrbahnzustands können an Bord des Fahrzeugs verfügbare Informationen und Sensordaten verwendet werden, um plausible Zustände zu erhalten. Das Suchgebiet kann auf sinnvolle Zustände beschränkt werden. Anhand des Datums kann zwischen Winter und Sommer unterschieden werden, wobei z.B. Schnee- und Eisbelag im Sommer leicht außer Betracht bleiben kann, während im Winter bei gegebenen Witterungsverhältnissen dies berücksichtigt werden muss.

Wird anhand von Sensorinformationen eine Auswahl von relevanten Erfahrungswerten vorgenommen, kann die Berechnung des Reibwerts und die Abschätzung der verfügbaren Kraftreserve beschleunigt werden. Bevorzugt wird anhand der Sensorinformationen eine Zahl von zu betrachtenden Zuständen beschränkt. Offensichtlich unsinnige Zustände brauchen nicht betrachtet werden.

Vorteilhaft ist, die maximal zur Verfügung stehende, vom Reifen auf die Fahrbahn übertragbare Kraft für jedes angetriebene Rad zu berechnen. Dies erhöht die Sicherheit der Reibwertbestimmung. Wird die Reibwertbestimmung in besonders vorteilhafter Weise zum Betreiben des Fahrzeugs eingesetzt, indem die maximal zur Verfügung stehende, vom Reifen auf die Fahrbahn übertragbare Kraft einem Fahrerassistenzsystem des Fahrzeugs mitgeteilt wird, kann die Betriebssicherheit derartig ausgestatteter Fahrzeuge verbessert werden. Insbesondere kann ein Fahrparameter abhängig von der maximal zur Verfügung stehenden, vom Reifen auf die Fahrbahn übertragbaren Kraft eingestellt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden können.
Dabei zeigen:
1 einen Fahrzeugreifen auf regennasser Fahrbahn,
2a–d einen Teil eines mechanischen Ersatzmodells eines Schwingungssystems Fahrbahn-Latsch-Reifengürtel-Felge, wobei (a) eine „in-plane"-Biegesteifigkeit des Gürtels, (b) eine „out-ofplane"-Biegesteifigkeit des Gürtels, (c) eine Verdreh- und Torsionssteifigkeit des Gürtels und (d) eine Quersteifigkeit des Gürtels verbildlichen,
3a, b mehrere Frequenzanalysedaten von Reifen für die gleiche nasse und trockene Fahrbahn (a) und Frequenzanalysedaten für einen Reifen auf nasser und trockener Fahrbahn (b), und
4 schematisch einige Einflussgrößen eines bevorzugten Modells.
Das im Folgenden beschriebene Verfahren basiert auf Sensorinformationen, die über konkrete Modellansätze aus der Fahrzeug- und Reifenphysik verknüpft werden, um Reibwertinformationen trennscharf, schnell und mit hoher Güte bereitstellen zu können. Dabei wird nicht nur der aktuelle Reibwert zwischen Reifen und Fahrbahn bestimmt, sondern auch ein Reibwertpotenzial extrahiert, das angibt, wie groß eine maximal zwischen Reifen und Fahrbahn übertragbare Kraft ist, insbesondere, wie weit der aktuelle Zustand von der maximal übertragbaren Kraft entfernt ist, d.h. welche Kraftreserve noch zur Verfügung steht. Aufgrund der hinterlegten Modellkonzepte und der damit erforderlichen Modelladaption können zudem Sekundärinformationen wie Reifenluftdruck, Profilhöhe oder eine bestehende Aquaplaninggefahr gewonnen werden, wie später in 4 näher erläutert wird.
Betrachtet man einen einzelnen Reifen bei Geradeausfahrt unter konstanter Geschwindigkeit v, so lassen sich im Zustand freien Rollens praktisch keine Informationen über das Reibwertpotential gewinnen. Selbst unter der Wirkung von Antriebskräften im Sinne einer Beschleunigung oder eines (moderaten) Abbremsens wird das effektive Reibwertpotenzial stationär kaum sichtbar. Erst bei einem Bremsvorgang, der ein Antiblockiersystem (ABS) auslösen würde, wäre eine (relativ genaue) Reibwertbestimmung möglich, was im üblichen Fahrbetrieb nicht praktikabel ist. Wird allerdings ein Frequenzspektrum von Reifenschwingungen im höherfrequenten Bereich betrachtet, ist Information über das Reibwertpotenzial zugänglich, die auf dem Reifen-Fahrbahn-Kontakt, im Schwingungsvermögen sowie den quasistatischen Deformationen der Reifenstruktur basie ren. Unter höherfrequent wird eine Frequenz oberhalb von typischerweise 20 Hz verstanden.
Aufgrund von Fahrbahnunebenheiten sowie durch eine stets vorhandene Schwankung eines Antriebs- bzw. Bremsmoments ist der Reifen einer permanenten Schwingungsanregung ausgesetzt. Das Reifenprofil trägt ebenfalls zu diesen Anregungen bei. Beispielhaft ist in 1 ein Reifen 1 auf einer regennassen Fahrbahn 5 dargestellt. Der Reifen 1 umgibt eine Felge 7 und bewegt sich in einer Fahrtrichtung 6. Der Reifen 1 weist am Umfang einen Reifengürtel 8 mit einem äußeren Reifenprofil 9 auf. Ein an der Felge 7 montierter Radrehzahlsensor 11 erfasst deren Drehzahl und leitet entsprechende Signale über eine Signalstrecke 12, die auch drahtlos sein kann, an eine Auswerteeinheit 13 weiter. Durch das Strömungs- und Kräftegleichgewicht bildet sich unter und in Fahrtrichtung 6 vor dem Reifen 1 ein Wasserkeil 2, der eine Kontaktzone 3 zwischen Reifen 1 und der mit einem Wasserfilm 4 bedeckten Fahrbahn 5 stark verkleinert. Die ursprüngliche Kontaktzone 3 ohne Wasserkeil 2 entspricht dem Reifenlatsch L_L. Mit der Ausbildung des Wasserkeils 2 zwischen Reifen 1 und Fahrbahn 5 ist eine entsprechende Verkürzung der kraftübertragenden Kontaktzone 3 verbunden. Neben veränderten Angriffspunkten von Reifenseitenkräften und Reifenlängskräften geht damit eine Änderung der Reifenlängssteifigkeit einher, da der Flächenanteil eines mit der Fahrbahn 5 in Eingriff stehenden und einen Haftreibungs-Kraftschluss herstellenden Profilanteils 10 des Reifens 1 proportional zur Länge L_W des Wasserkeils 2 reduziert wird. Aus den Daten des Raddrehzahlsensors wird beispielsweise durch eine Fouriertransformation ein Frequenzspektrum gewonnen.
Die Schwingungsanregungen des Reifengürtels 8 findet hauptsächlich in drei Freiheitsgraden mit Rotation um eine Rad drehachse, Translation in Fahrzeuglängsrichtung und Translation in Vertikalrichtung statt. Diese Schwingungsanregungen sind in der Regel schwach gedämpft und über die Reifen-Fahrbahn-Kontaktzone, d.h. den Reifenlatsch, effektiv miteinander verkoppelt. 2a, b, c, d gibt ein Beispiel für eine Modellierungstiefe eines geeigneten Modells. Starrkörperelemente 15 sind mit einer Drehfeder 16 (2a) verbunden und/oder einer radialen Feder 17 zwischen einzelnen Starrkörperelementen 18, bei dem jedes Starrkörperelement 18 gegen die Felge 7 abgestützt ist (2b), und/oder das Rad 1 zeigt ein Neigung mit Federn 19 zwischen und innerhalb von Starrkörperelementen 20 gegen dessen Felge 7, wobei die Federn 19 innerhalb und zwischen den Starrkörperelementen 20 verschieden sein können (2c) und/oder ein Verdrehen des Reifengürtels 8 in sich mit Federn 21 zwischen Starrkörperelementen 22 (2d). In 2d sind der Übersichtlichkeit wegen nur einige Federn 21 und Starrkörperelemente 22 bezeichnet. Der Fachmann wird je nach Bedarf eine geeignete Modellierungstiefe sowie ein geeignetes Modell aus an sich bekannten, sinnvollen Modellen auswählen.
Die Informationen des daraus resultierenden Gürtel-Latsch-Verbundes sind aus einer gezielten Beobachtung beispielsweise der Felgendrehschwingungen extrahierbar, die mit dem Radrehzahlsensor 11 (1) erfasst werden können.
Die meisten Profilstollen in der Reifen-Fahrbahn-Kontaktzone 3 stehen normalerweise, d.h. bei kleinen Schlupf- und Schräglaufwerten, über regelrechte Haftreibungskontakte mit der Fahrbahn 5 in Verbindung. Reibwertänderungen lassen sich daher nicht einfach durch Analyse der Reifenkennlinien im Fahrbetrieb detektieren, insbesondere nicht bei hohen Reibwerten und kleinen Umfangskraftschwingungen. Da die Bodendruckverteilungen am Rande der Latschlänge prinzipbedingt auslaufen, also Werte nahe Null annehmen, sind jedoch in allen Reifenbetriebszuständen stets einige Stollenbereiche gleitfähig oder nahe ihrer Haft-Gleitgrenzen.
Insgesamt beeinflusst dies zwar kaum die Gesamtreifencharakteristik oder den Reifenverschleiß, die Randzonen- und Auslaufgleitvorgänge beeinflussen aber die höherfrequenten Reifenschwingungen jenseits von 20 Hz, indem sie einerseits das Dämpfungsverhalten an sich beeinflussen, andererseits aber auch, je nach Veränderung der Haft- und Gleitreibungsbedingungen, mitunter zusätzliche, so genannte Stick-Slip-Anregungen erzeugen. Slip-Stick-Anregungen sind Anregungen, wie sie z.B. auch beim Quietschen und/oder Rattern von Scheibenwischern entstehen. Diese Effekte, sowie die dynamischen Vorgänge bei Umfangskraftänderungen und/oder stärkeren Fahrbahnanregungen werden genutzt, um Prognosen über ein aktuelles Reifen-Fahrbahn-Reibwertpotenzial zu treffen. Vereinfacht dargestellt werden bei hoher bzw. guter Reifen-Fahrbahn-Reibung fast alle Stellen praktisch überall in der Kontaktzone 3 an der Fahrbahn 5 haften. Folglich sind die „echten" Gleitanteile und damit die effektiven Dämpfungen der Reifengürtelschwingungen minimal. Auf feuchter oder nasser Fahrbahn 5 wird in erster Linie die Gleitreibung abnehmen, während das Haftvermögen fast unverändert bleibt. Folglich werden grenzwertige Stollensegmente teilweise abgleiten, und zwar um so weiter, je mehr „Feuchtigkeitsschmierung" oder „Schmutzschmierung" vorhanden ist. Bei nasser oder gar wassergefluteter Fahrbahn 5 wird auch die Haftreibung abnehmen; folglich nimmt die Dämpfung weiter zu, und zusätzlich treten Stick-Slip-Effekte auf. Dieses Modell kann auch als Kontaktzonenmodell bezeichnet werden. Je nach Wasserhöhe kann der Reifen 1 auch zum Aufschwimmen neigen, was gleichfalls detektierbar ist. Auf Eis und Schnee stellen sich schließlich ganz andere Haft-Gleit-Verhältnisse ein und damit auch andersartige, im Vergleich zum Normalbetrieb leichter unterscheidbare Reifenschwingungszustände.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reibwerterkennung kann zusätzlich weitere Parameter und Einflussgrößen einschließen, um in der Praxis verlässliche Ergebnisse zu liefern.
So kann eine Fahrzustandssensorik heutiger ESP-Systeme (Elektronisches Stabilitätsprogramm) zur elektronischen Stabilisierung des Fahrverhaltens des Fahrzeugs, wie etwa ein Raddrehzahlsensor, Lenkwinkelsensor, Drehraten- und Querbeschleunigungssensor, vorteilhaft mit einbezogen werden, um den aktuellen Fahrzustand des Fahrzeugs zu ermitteln. Das ESP bietet zusätzliches Sicherheitspotenzial in kritischen Situationen und verringert das Schleuderrisiko bei Kurvenfahrten deutlich. Im Fall des Über- oder Untersteuerns des Fahrzeugs greift ESP ein, bremst gezielt ein Rad ab und bringt das Fahrzeug wieder in die Spur. Durch die erfindungsgemäße Reibwertbestimmung zwischen Reifen 1 und Fahrbahn 5 kann ein solches System noch früher reagieren und einen noch größeren Sicherheitsfaktor bieten. Auf dieser Grundlage können konkrete Betriebsbedingungen für jeden einzelnen Reifen 1 berechnet werden. Die erfindungsgemäße Reibwertbestimmung kann zur Warnung und/oder zur Steigerung der Informationsmenge dienen, aber auch in weiteren Systemen wie ABS (Antiblockiersystem), ASR (Antischlupfregelung), der automatischen Notbremsung, der Kollisionsvermeidung etc. mit verwendet werden.
Ausgehend von einer an das Fahrzeug angepassten geeigneten Modelladaption können die ungestörten Reifenreaktionen berechnet werden, aus denen die Raddrehschwingungen bestimmt werden können. Durch Vergleich mit den tatsächlich ermittelten Raddrehzahl- oder Raddrehbeschleunigungsdaten, die bevorzugt aus einer Frequenzanalyse eines Frequenzspektrums der Raddrehzahlen bestimmt werden, lässt sich das Schwingungs- und Eigendynamikverhalten separieren und unter Variation der Reibungsparameter eine treffende Modelladaption finden. Daraus ergeben sich die passenden Reibwerte, aus denen mittels des Kontaktzonenmodells das gesuchte Reibwertpotenzial bestimmt werden kann.
Dabei werden zunächst Frequenzsignale des Frequenzspektrums in zumindest zwei Frequenzbändern beobachtet. 3a, b zeigt ein Beispiel von Messungen an mehreren bzw. einem Reifen 1 bei konstanter Geschwindigkeit (70 km/h) auf derselben Fahrbahn 5 in trockenem und nassem Zustand. In einem Frequenzband um 60 Hz tritt bei trockener Fahrbahn (durchgezogene Linien) ein Maximum einer Amplitude einer charakteristischen Schwingung auf. Die charakteristische Schwingung kann für jeden Reifen 1 zwar eine Streuung in der Amplitude und auch in der jeweiligen Frequenz des Maximum der Amplitude aufweisen, es ist jedoch deutlich erkennbar, dass sich die charakteristische Schwingung bei nasser Fahrbahn in ein anderes Frequenzband um 80 Hz verschiebt (gestrichelte Linien). In 3b ist diese Verschiebung von einem Frequenzband in das andere beim Wechsel von einer trockenen auf eine nasse Fahrbahn 5 für einen einzelnen Reifen 1 nochmals hervorgehoben. Wird also im Frequenzband um 80 Hz ein Signal beobachtet, jedoch im Frequenzband um 60 Hz keines, ist dies kennzeichnend für eine Schwingung des Reifens 1 auf nasser Fahrbahn. Wird umgekehrt im Frequenzband um 60 Hz eine Schwingung beobachtet, aber keine im Frequenzband um 80 Hz, ist dies kennzeichnend für eine Schwingung des Reifens 1 auf trockener Fahrbahn. Auf schneebedeckter oder eisbedeckter Fahrbahn tritt wiederum eine entsprechende Verschiebung in der Frequenz der charakteristischen Schwingung auf.
Durch das zugrunde liegende Modell ist berechenbar, in welchen Frequenzbändern bei welchen Fahrbahnzuständen eine derartige charakteristische Schwingung auftritt, bzw. es können Erfahrungswerte gesammelt oder aus dem Modell gewonnen werden. Die Amplitude der charakteristischen Schwingung ist im Wesentlichen proportional zum aktuellen Reibwert. Daraus kann ein Zusammenhang zwischen dem Reibwert und der Amplitude hergestellt werden. Weiterhin ergibt sich für jeden Fahrzustand, d.h. freies Rollen, Antreiben/Bremsen, Kurvenfahrt, ein entsprechender Zusammenhang zwischen Reibwert und Amplitude. Ist also der Fahrzustand bekannt, kann aus der Amplitude und der Beobachtung der charakteristischen Frequenzbänder, beispielsweise um 60 Hz für die trockene und um 80 Hz für die nasse Fahrbahn 5, ein Reibwert abgeleitet werden. Darüber hinaus kann aus dem Reibwert eine maximal zur Verfügung stehende, vom Reifen 1 auf die Fahrbahn 5 übertragbare Kraft bestimmt werden, wenn der Fahrbahnzustand bekannt ist.
Für jeden Fahrbahnzustand, z.B. trocken, nass, Schnee, Eis etc., kann ein Kraftübertragungszustand des Reifens 1 bestimmt werden, der charakteristisch für den Fahrbahnzustand ist. Um unplausible Messwerte zu erkennen, kann eine Plausibilitätsbetrachtung zwischen Frequenzsignalen von angetriebenen und nicht angetriebenen Rädern 1 des Fahrzeugs durchgeführt wird. Das Verfahren ist daher insbesondere für Fahrzeuge geeignet, die wenigstens eine nicht angetriebene Achse aufweisen.
Ferner können Frequenzsignale der angetriebenen und der nicht angetriebenen Räder 1 zur Kompensation von Störgrößen herangezogen werden. Optional kann die maximal zur Verfügung stehende, vom Reifen auf die Fahrbahn übertragbare Kraft für jedes angetriebene Rad berechnet und an eine Fahrzeugsteuerung, ein Fahrerassistenzsystem und dergleichen weitergegeben wer den, um das Fahrzeug unter Ausnutzung der Reserven betreiben zu können und kritische Zustände zu vermeiden. So kann ein Fahrparameter, beispielsweise ein Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, ein Bremseingriff, eine Gangwahl und dergleichen, abhängig von der maximal zur Verfügung stehenden, vom Reifen 1 auf die Fahrbahn 5 übertragbaren Kraft eingestellt werden.
Die Auswertung kann vereinfacht und beschleunigt werden, wenn anhand von Sensorinformationen eine Auswahl von relevanten Parametern vorgenommen und gegebenenfalls anhand der Sensorinformationen die Zahl von zu betrachtenden Fahrbahnzuständen beschränkt wird. Dabei können Sensorinformationen im Sinne einer Sensorfusion zusammengefasst werden, wobei mehrere Sensorsignale zu einem virtuellen Sensorsignal verknüpft werden. Dabei kann die Signalqualität durch Ausnutzung einer Redundanz zwischen den einzelnen Sensorsignalen gesteigert werden. Im optimalen Fall erhält man für das Signal der Sensorfusion als Vereinigungsmenge die positiven Eigenschaften und als Schnittmenge die negativen Eigenschaften der eingesetzten Sensoren. Durch den Vergleich von Signalen unterschiedlicher Sensoren können ebenso systematische Fehler in den Messsystemen erkannt werden. Ferner können modellbasierte Schätzverfahren, wie etwa Parameterschätzung und/oder Kalmanfilter, ausgewählt werden, um stochastische Störungen zu unterdrücken.
Bei der Heranziehung verschiedener Sensorinformationen kann beispielsweise ein Temperatursensor mit Daten einer Wetterstation kombiniert werden. Beispielsweise kann bei Frostgefahr fahrzeugseitig eine erhöhte Alarmbereitschaft eingestellt werden. Die Daten der Wetterstation können über einen digitalen Verkehrsfunk zum Fahrzeug übertragen werden. Weiterhin kann die Erfassung eines Temperaturgradienten von Be deutung sein. Anhand einer bei tiefen Temperaturen sinkenden Temperatur steigt die Gefahr von Schnee oder Frost.
Ferner können sowohl der Luftdruck als auch die Luftfeuchtigkeit ein System zur Bestimmung des Reibwerts unterstützen. So kann ein Luftdruckgradient ein weiteres Mittel zur Erkennung von Umweltbedingungen sein.
Mit Hilfe von GPS-Daten (Global Positioning System, ein satellitengestütztes positionserkennendes System) kann die Position des Fahrzeugs bestimmt und anhand von Karten Aussagen über dessen Umgebung gemacht werden. Zu diesen Aussagen gehören beispielsweise die aktuelle Höhenlage des Fahrzeugs und damit eine verbundene Schneefallgrenze, Aussagen über Brücken, Waldgebiete, Gebiete mit höherer Feuchtigkeit, wie etwa Flussverläufe, die ein höheres Risiko zu Feuchte oder Frost auf der Fahrbahn bergen. So kann mittels GPS auch festgestellt werden, ob sich das Fahrzeug auf einer Hauptverkehrsstrasse oder einer weniger gut ausgebauten Nebenstrasse bewegt. So ist auf kleineren Strassen in der Nähe von Feldern eher mit einer verschmutzten Fahrbahn 5 zu rechnen als auf einer Autobahn, was bei Regen den Reibwert zwischen Rädern 1 und Fahrbahn 5 erheblich verringern kann.
Ein Regensensor kann zum einen zur Detektion von Niederschlag überhaupt, aber auch zur Bestimmung der Menge des Niederschlags verwendet werden, beispielsweise in Kombination mit einem Fahrgeschwindigkeitssensor und/oder einer aktuellen Scheibenwischerstufe, die höher ist bei starken Regen und niedrig bei geringem Niederschlag.
Eine Datum- und Zeiterfassung durch einen Kalender kann eine Witterungserkennung weiter verbessern. So ist Schnee in einem Sommermonat weniger wahrscheinlich als in einem Wintermonat.
Ferner ist die Frostgefahr von der Tageszeit abhängig, wobei in den frühen Morgenstunden und am Abend die Gefahr von Vereisungen auf der Fahrbahn 5 steigt. In den Herbstmonaten ist mit Lauf auf der Strasse zu rechnen, während im Sommer die Umweltbedingungen meist besser sind als in anderen Jahreszeiten.
Zur Erkennung des Fahrbahnzustands können optische Sensoren eingesetzt werden, die beispielsweise reflektierende Oberflächen, wie nasse Fahrbahn oder Eis, erkennen oder Lichtabsorptionseigenschaften von Eis, Schnee oder Laub ausnutzen.
Ebenso kann ein RDS/TCM-Verkehrsfunksystem (Radiodatenservice/Traffic Message Channel (Verkehrsfunkkanal)) Informationen über das Wetter, Fahrbahnzustände, lokale Frostbereiche übermitteln. In Kombination mit einem angebundenen GPS-System kann eine weitere Verifizierung der aktuellen Position des Fahrzeugs erfolgen. Bei schlechter Fahrbahn oder schlechter Witterung kann Alarmzustand ausgelöst werden.
Anhand von Daten eines Lichtsensors von einzelnen Fahrzeugmodellen oder anhand von Informationen über den Zustand von Scheinwerfern kann eine Logik auswerten, ob es hell oder dunkel ist. Bei Dunkelheit ist die Gefahr von Bodenfrost größer als bei Helligkeit. Eine Kombination des Lichtsensors mit einem Zeitsignal kann sinnvollerweise Einflüsse von Straßenbeleuchtung bei Nacht oder dunkeln Regenwolken bei Tag ausschließen.
Weiterhin kann eine Winderkennung, beispielsweise über die ESP-Sensorik in bevorzugter Kombination mit GPS-Daten und Datumserkennung, ein frühzeitiges Erkennen von Laub auf der Straße oder überfrierender Fahrbahn ermöglichen.
Ferner können Daten zwischen Fahrzeugen mittels moderner Assistenzsysteme ausgetauscht werden, insbesondere Daten über den Reibwert, so dass sich nachfolgende Fahrzeuge auf kommende Fahrbahnverhältnisse einstellen können.
Reifendrucksensoren können zu jedem Zeitpunkt den Reifendruck überprüfen und einen Abfall des Reibwerts bei niedrigem Druck berücksichtigen; ebenso kann eine Warnmeldung ausgegeben werden.
Mittels eines Schmutzsensors, der nach einem dem Regensensor vergleichbaren Prinzip arbeitet, kann das Fahrzeug die Verschmutzung von Scheinwerfern, insbesondere Xenon-Scheinwerfern überwachen. Bei nasser Fahrbahn wird Schmutz und/oder Wasser möglicherweise auf die Höhe der Scheinwerfer, nicht aber bis zur Windschutzscheibe hochgewirbelt. Eine nasse oder verschmutzte Fahrbahn kann so leichter erkannt werden, auch wenn es zu diesem Zeitpunkt nicht regnet. Der Fachmann wird auch weitere sinnvolle Sensorinformationen heranziehen und plausible Kombinationen vornehmen.
Bei Überfahren von Schotterwegen und anderen unebenen Fahrbahnen, wie z.B. Kopfsteinpflaster, liefert die Auswertung der Raddrehzahlen kein zufrieden stellendes Ergebnis. Eine Information eines Federwegsensors eines ABC-Fahrwerks (Active Body Control, aktive Fahrwerksregelung) oder einer Luftfederung kann eine entsprechende Warnmeldung initiieren, dass mit Reibwertverlust zu rechnen ist.
4 erläutert ein bevorzugtes Verfahren, wie aufgrund von hinterlegten Modellkonzepte und der damit einhergehenden Modelladaption Sekundärinformationen wie Reifenluftdruck p, Profilhöhe H, Reibwert μ oder über eine bestehende Aquaplaninggefahr gewonnen werden können. Es bestehen eine Reihe von Modellen, wie Reifenschwingungsmodell M1 bis M4 für jeden Reifen, Fahrzustandsmodell M5, Umgebungszustandsmodell M6. Gegebenenfalls können weitere Modelle eingefügt werden. Das oder die Reifenschwingungsmodelle M1...M4 erhalten als Eingangsgrößen die aktuellen Raddrehzahlen n1...n4 sowie Zustandsgrößen Z1...Zn, wie zumindest Fahrgeschwindigkeit und Fahrzustand, und erzeugen daraus Ausgangsgrößen wie beispielsweise Profilhöhe H, Straßenbelagsklasse b, Luftdruck p und Reibwert μ. Diese mit dem Reifenschwingungsmodell M1...M4 erzeugten Daten werden dem Fahrzustandsmodell M5 zugeführt, welches zusätzlich über Sensordaten S1...Sn Informationen der ESP-Sensorik und/oder ADS-Sensorik (adaptives Dämpfer-System) und/oder weiterer an Bord des Fahrzeugs verfügbarer Sensorik erhält. Das Fahrzeugzustandsmodell M5 setzt die ihm zugeführten Daten in einen Reifenmodellabgleich A um. Zusätzlich erhält das Umgebungszustandsmodell M6 Parameter P1...Pn als Eingangsgrößen, etwa Temperatur, Scheibenwischer, Licht, Datum, GPS-Position und dergleichen und setzen diese in einen Reifenmodellabgleich A um. Dabei können Umgebungszustandsmodell M6 und Fahrzeugzustandsmodell M5 sich gegenseitig abgleichen.

1: Reifen
2: Wasserkeil
3: Kontaktzone
4: Wasserfilm
5: Fahrbahn
6: Fahrtrichtung
7: Felge
8: Reifengürtel
9: Reifenprofil
10: Profilanteil
11: Raddrehzahlsensor
12: Signalstrecke
13: Auswerteeinheit
L_L: Reifenlatsch
L_W: Länge Wasserkeil
L_K: Länge Kontaktfläche
n1: Drehzahl
n4: Drehzahl
A: Reifenmodellabgleich
M1: Reifenschwingungsmodell
M4: Modell
M5: Fahrzustandsmodell
M6: Umgebungszustandsmodell
S1...Sn: Sensorik
P1...Pn: Parameter
Z1...Zn: Zustandsgrößen
H: Profilhöhe
b: Straßenbelagsklasse
μ: Reibwert
p: Reifenluftdruck

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Reibwerts, bei dem Schwingungen eines Reifens (1) erfasst und zumindest eine Charakteristik der Reifenschwingung, insbesondere ein Frequenzspektrum und/oder ein Zeitbereichsspektrum, ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchgeführt werden: – Daten werden mittels physikalischer und/oder phänomenologischer Modellansätze ausgewertet, – Auswertesignale in zumindest zwei Frequenzbändern werden beobachtet, – Amplituden der Auswertesignale werden mit reibwertabhängigen und von einem aktuellen Kraftübertragungszustand des Reifens (1) abhängigen Erfahrungswerten verglichen, – ein Reibwert wird bestimmt, – aus dem Reibwert wird eine maximal zur Verfügung stehende, vom Reifen (1) auf die Fahrbahn (5) übertragbare Kraft bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plausibilitätsbetrachtung zwischen Auswertesig nalen der Reifen (1) von angetriebenen und nicht angetriebenen Rädern durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertesignale der Reifen (1) der angetriebenen und der nicht angetriebenen Räder zur Kompensation von Störgrößen herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Kraftübertragungszustand anhand von den Fahrzuständen Rollen, Beschleunigen/Verzögern und/oder Kurvenfahrt bewertet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reibwertabhängigen Erfahrungswerte wenigstens für die Farbahnzustände trocken, feucht, nass, Schneebelag, Eis herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von Sensorinformationen eine Auswahl von relevanten Erfahrungswerten vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Sensorinformationen eine Zahl von zu betrachtenden Zuständen beschränkt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zur Verfügung stehende, vom Reifen (1) auf die Fahrbahn (5) übertragbare Kraft für jedes angetriebene Rad berechnet wird.