DE19603430A1 - Motor vehicle axle load determn. circuit - Google Patents
Motor vehicle axle load determn. circuitInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff nach Anspruch 1. Die Kenntnis der aktuellen Achs lastverteilung oder Radlastverteilung ist für viele Anwendun gen in der Kraftfahrzeugtechnik - z. B. für ABS-, aktive Fahr- Werk-Systeme - nützlich. Speziell bei aktiven Fahrwerken wird der Dämpfungsfaktor radselektiv geregelt. Die tatsächlichen Radlasten können dabei zum Beispiel mit Piezorestriktiven Quarzaufnehmern erfaßt werden. Solche Aufnehmer sind im je weiligen Federdom zwischen Federteller und Fahrzeugchassis montiert. Bei einer bekannten blockiergeschützten Bremsanlage werden Sensoren verwendet, die unter anderem von den Achsla sten abhängige Meßsignale erzeugen (DE-C 33 30 483).The invention relates to a circuit arrangement according to the General term according to claim 1. Knowledge of the current axis load distribution or wheel load distribution is for many applications gen in automotive engineering - z. B. for ABS, active driving Plant systems - useful. Especially with active chassis the damping factor is wheel-selectively controlled. The actual Wheel loads can be used, for example, with piezorestrictive devices Quartz sensors can be detected. Such sensors are in each case the spring dome between the spring plate and the vehicle chassis assembled. In a known anti-lock brake system sensors are used, which are used by the Achsla generate the most dependent measurement signals (DE-C 33 30 483).
Die bekannten Schaltungsanordnungen sind nicht sehr zuverläs sig und ziemlich aufwendig.The known circuit arrangements are not very reliable sig and quite complex.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand zum Er mitteln der Achslasten und der Radlasten in einem Kraftfahr zeug zu verringern und die Zuverlässigkeit der Ermittlung zu erhöhen.The invention has for its object the effort for it average of axle loads and wheel loads in a motor vehicle reduce the testimony and the reliability of the investigation increase.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Schaltungs anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.This object is achieved according to the invention by a circuit arrangement according to claim 1 solved. Appropriate further training the invention are laid down in the subclaims.
Ein Vorteil der Erfindung liegt u. a. darin, daß sich mit ihr neben der Achslastverteilung auch die Radlastverteilung er mitteln läßt, d. h. die Kräfte mit denen die einzelnen Reifen aufstandspunkte beaufschlagt werden.An advantage of the invention lies u. a. in that with her in addition to the axle load distribution, he also the wheel load distribution lets average, d. H. the forces with which the individual tires riot points are charged.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden an hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: An embodiment of the invention is described below hand of the drawing explained. Show it:
Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Kraftfahrzeug bei Bergfahrt mit den dabei auftretenden Bewegungsgrößen und -kräften; Figure 1 is a schematically illustrated motor vehicle when driving uphill with the movement quantities and forces occurring.
Fig. 2 die bei einem Fahrzeug in waagrechter Lage auftre tenden Aufhängungskräften und Achslasten, und Fig. 2 shows the case of a vehicle in a horizontal position occurring defects Tenden suspension forces and axle loads, and
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung, und Fig. 3 shows a circuit arrangement according to the invention in a schematic representation, and
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 abgearbeiteten Programms. FIG. 4 shows a flow chart of a program executed in the circuit arrangement according to FIG. 3.
Ein Kraftfahrzeug 1 bewegt sich auf einer Fahrbahn 2, das ge genüber der horizontalen Ebene 3 um einen Winkel a geneigt ist. Die Vorderachse des Kraftfahrzeuges ist durch ein Vor derrad 4 dargestellt, die Hinterachse durch ein Hinterrad 5. Die jeweilige Radaufhängung besteht im Wesentlichen aus einer Feder 6 und einem Stoßdämpfer 7.A motor vehicle 1 moves on a roadway 2 , which is inclined at an angle a relative to the horizontal plane 3. The front axle of the motor vehicle is represented by a front wheel 4 , the rear axle by a rear wheel 5 . The respective wheel suspension essentially consists of a spring 6 and a shock absorber 7 .
Das Fahrzeug 1 steht in Fig. 2 auf einer waagerechten Fahr bahn 8. Zur deutlicheren Darstellung der Aufhängungskräfte ist das Fahrzeug hier von den Achsen abgehoben dargestellt.The vehicle 1 is in Fig. 2 on a horizontal track 8th To show the suspension forces more clearly, the vehicle is shown lifted off the axles.
An geeigneter Stelle des Kraftfahrzeugs, zum Beispiel in dem Schwerpunkt S ist ein Giergeschwindigkeitssensor 10 angeord net, der der Kürze halber auch als Gierratensensor 10 be zeichnet wird. Zweiachsgierratensensoren werden zum Beispiel in größerem Umfang in Videokameras, und zwar zum Zwecke der Bildstabilisierung, eingesetzt. Ein solcher Sensor 10 liefert zwei Ausgangssignale, die einer Auswerteschaltung 12 zur Achslastermittlung (Fig. 3) zugeführt werden. Ein in dieser Auswerteschaltung 12 enthaltener Steuerrechner 14, zum Bei spiel als Mikroprozessor ausgebildet, benutzt ein einfaches mathematisches Fahrzeugmodell, mit dem aus den beiden Sensor signalen die vier Radaufstandskräfte berechnet werden. At a suitable point in the motor vehicle, for example in the center of gravity S, a yaw rate sensor 10 is arranged which, for the sake of brevity, is also referred to as a yaw rate sensor 10 . Biaxial yaw rate sensors are used, for example, on a larger scale in video cameras for the purpose of image stabilization. Such a sensor 10 delivers two output signals which are fed to an evaluation circuit 12 for determining the axle load ( FIG. 3). A control computer 14 contained in this evaluation circuit 12 , designed for example as a microprocessor, uses a simple mathematical vehicle model with which the four wheel contact forces are calculated from the two sensor signals.
Mit der Auswerteschaltung 12 können außer dem Gierratensensor 10 auch ein Nickgeschwindigkeitssensor 15 und ein Neigungs winkelsensor 16 verbunden sein. Die Auswerteschaltung 12 ist mit einem ABS-Steuergerät 18 über eine Datenleitung 19 und mit einem Aktivfahrwerk-Steuergerät 20 über eine Datenleitung 21 verbunden. Beide Datenleitungen, die auch als Bus ausge führt sein können, ermöglichen einen Daten- und Steuersignal austausch in beiden Richtungen.With the evaluation circuit 12 , in addition to the yaw rate sensor 10 , a pitching speed sensor 15 and an inclination angle sensor 16 can also be connected. The evaluation circuit 12 is connected to an ABS control unit 18 via a data line 19 and to an active chassis control unit 20 via a data line 21 . Both data lines, which can also be implemented as a bus, enable a data and control signal exchange in both directions.
Anhand des aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen Fahrzeugmo dells werden nachfolgend aufgeführte Mechanikgleichungen auf gestellt. Vorab werden aber die in den Gleichungen benützten Formelgrößen in Listenform definiert:Based on the apparent from FIGS . 1 and 2 Fahrzeugmo models below mechanical equations are set on. However, the formula values used in the equations are defined in list form beforehand:
α Geländesteigung
ϕ′′ Nickwinkelbeschleunigung
Θh reduziertes Massenträgheitsmoment auf die Hinterachse
Θv reduziertes Massenträgheitsmoment auf die Vorderachse
Θchassis Massenträgheitsmoment der Fahrzeugkarosserie um die y-Achse
fzv_sus Horizontalkraft vorne, die auf das Feder-Dämpfer-System wirkt
fzh_sus Horizontalkraft hinten, die auf die Feder-Dämpfer-System wirkt
fszv_sus statischer Anteil der Horizontalkraft vorne
fdzv_sus dynamischer Anteil der Horizontalkraft vorne
fszh_sus statischer Anteil der Horizontalkraft hinten
fdzh_sus dynamischer Anteil der Horizontalkraft hinten
mchassis Masse der Fahrzeugkarosserie
l Radstand
lh Abstand Fahrzeugkarosserieschwerpunkt zur Hinterachse
lv Abstand Fahrzeugkarosserieschwerpunkt zur Vorderachse
x′′ Fahrzeuglängsbeschleunigung
α1, α2, α3 Filterkonstanten (können auch von der Horizontalkraft oder der Dämpfung
abhängen)
b2, b Filterkonstanten (können auch von der Horizontalkraft oder der
Dämpfung abhängen)
c1, c2, c3 Filterkonstanten (können auch von der Horizontalkraft oder der Dämp
fung abhängen)
d2, d Filterkonstanten (können auch von der Horizontalkraft oder der Dämpfung
abhängen)
fdzv(n) zeitdiskreter dynamischer Anteil der Radaufstandskraft vorne
fdzh (n) zeitdiskreter dynamischer Anteil der Radaufstandskraft hintenα slope
ϕ ′ ′ pitch acceleration
Θ h reduced moment of inertia on the rear axle
Θ v reduced moment of inertia on the front axle
Θ chassis moment of inertia of the vehicle body around the y-axis
f zv_sus Horizontal force at the front that acts on the spring-damper system
f zh_sus Rear horizontal force that acts on the spring-damper system
fs zv_sus static part of the horizontal force at the front
fd zv_sus dynamic part of the horizontal force at the front
fs zh_sus static part of the horizontal force behind
fd zh_sus dynamic part of the horizontal force behind
m chassis mass of the vehicle body
l wheelbase
l h Distance from vehicle body center of gravity to rear axle
l v Distance between the center of gravity of the vehicle body and the front axle
x ′ ′ longitudinal vehicle acceleration
α1, α2, α3 filter constants (can also depend on the horizontal force or the damping)
b2, b filter constants (can also depend on the horizontal force or the damping)
c1, c2, c3 filter constants (can also depend on the horizontal force or the damping)
d2, d filter constants (can also depend on the horizontal force or the damping)
fd zv (n) time-discrete dynamic component of the front wheel contact force
fd zh (n) time-discrete dynamic part of the wheel contact force at the rear
Zum Aufstellen eines an dem Kraftfahrzeug angreifenden Drehmomentgleichgewichts werden zuerst reduzierte Fahrzeugka rosserie-Trägheitsmomente Θv, Θh um die beiden Drehachsen berechnet:To establish a torque balance acting on the motor vehicle, reduced vehicle body moments of inertia Θ v , Θ h about the two axes of rotation are first calculated:
Θv = Θchassis+mchassis * (lv²+h²) (Gl. 1)Θ v = Θ chassis + m chassis * (l v ² + h²) (Eq. 1)
Θh = Θchassis+mchassis * (lh²+h²) (Gl. 2)Θ h = Θ chassis + m chassis * (l h ² + h²) (Eq. 2)
In diesen und nachfolgenden Gleichungen ist die Vorderachse des Kraftfahrzeuges 1 durch den Subindex "v" und die Hinter achse des Kraftfahrzeuges durch den Subindex "h" gekennzeich net.In these and the following equations, the front axle of the motor vehicle 1 is characterized by the subindex "v" and the rear axle of the motor vehicle by the subindex "h".
Bezogen auf den vorderen und den hinteren Radaufstandspunkt des Kraftfahrzeuges 1 wird nun eine Momentenbilanz aufge stellt. Die sich aus der Momentenbilanz ergebenden Kräfte für die Vorder- und die Hinterachse können unter der Vorausset zung, daß die Geländesteigung sich nur geringfügig ändert, in eine statische und dynamischen Komponente zerlegt werden.Based on the front and rear wheel contact point of motor vehicle 1 , a moment balance is now set up. The forces resulting from the torque balance for the front and rear axles can be broken down into a static and dynamic component, provided that the terrain gradient changes only slightly.
fzv_sus = fszv_sus + fdzv_sus (Gl. 3)f zv_sus = fs zv_sus + fd zv_sus (Eq. 3)
fszv_sus = mchassis* g*cis(α)* lh/l
fdzv_sus = mchassis* (x″ + g*sin(α))* h/l + Θh* Φ″/l (Gl. 4)fs zv_sus = m chassis * g * cis (α) * l h / l
fd zv_sus = m chassis * (x ″ + g * sin (α)) * h / l + Θ h * Φ ″ / l (Eq. 4)
fzh_sus = fs + fdzh_sus (Gl. 5)f zh_sus = fs + fd zh_sus (Eq. 5)
fszh_sus = mchassis* g* cos(α)* lv/l (Gl. 6)fs zh_sus = m chassis * g * cos (α) * l v / l (Eq. 6)
fdzh_sus = mchassis* (x″ + g* sin(α))* h/l -Θv* Φ″/l (Gl. 7)fd zh_sus = m chassis * (x ″ + g * sin (α)) * h / l -Θ v * Φ ″ / l (Eq. 7)
Das Verhalten des Feder-Dämpfer-Systems 6,7 an jeder Achse kann mit Hilfe eines rekursiven Filters höherer Ordnung be schrieben werden. Nachfolgend wird dazu ein Filter zweiter Ordnung verwendet. Da die Federn jeweils um eine statische Komponente vorgespannt sind, wird nur die dynamische Kompo nente gefiltert. Die beiden Kräfte fdzv_sus und fszh_sus werden hier zeitdiskret dargestellt.The behavior of the spring-damper system 6.7 on each axis can be described using a higher-order recursive filter. A second-order filter is used for this below. Since the springs are prestressed by a static component, only the dynamic component is filtered. The two forces fd zv_sus and fs zh_sus are shown here in a time-discrete manner.
fdzv(n) = al* fdzv_sus(n) = a2* fdzv_sus (n-1) + a3* fdzv_sus (n-2)-b2* fdzv (n-1)-b3* fdzv (n-2) (Gl. 8)fd zv (n) = al * fd zv_sus (n) = a2 * fd zv_sus (n-1) + a3 * fd zv_sus (n-2) -b2 * fd zv (n-1) -b3 * fd zv (n -2) (Eq. 8)
fdzh(n) = cl* fdzh_sus(n) +c2* fdzh_sus (n-1) +c3* fdzh_sus (n-2)-d2* fdzh (n-1)-d3* fdzh (n-2) (Gl. 9)fd zh (n) = cl * fd zh_sus (n) + c2 * fd zh_sus (n-1) + c3 * fd zh_sus (n-2) -d2 * fd zh (n-1) -d3 * fd zh (n -2) (Eq. 9)
Die beiden folgenden Gleichungen ergeben die Radaufstands kraft für die vordere Achse fzv und die Radaufstandskraft für die hintere Achse fzh:The following two equations give the wheel contact force for the front axle f zv and the wheel contact force for the rear axle f zh :
fzv = fszv_sus +fdzv +2*mv_sus +2* mvrad (Gl. 10)f zv = fs zv_sus + fd zv + 2 * m v_sus + 2 * m vrad (Eq. 10)
fzh = fszh_sus +fdzh +2*mh_sus +2* mhhrad (Gl. 11)f zh = fs zh_sus + fd zh + 2 * m h_sus + 2 * mh hrad (Eq. 11)
Über einen in der Auswerteschaltung 12 enthaltenen und nicht gesondert dargestellten Anlog/Digital-Wandler wird die von dem Gierratensensor 10 gelieferte aktuelle Winkelgeschwindig keit in Fahrzeuglängs- und in Fahrzeugquerachse abgetastet. Falls das Kraftfahrzeug 1 mit einem Neigungswinkelsensor 16 versehen ist, wird der Neigungswinkel α von diesem an die Auswerteschaltung 12 übermittelt, andernfalls wird die Nei gungsinformation aus einem anderen in dem Kraftfahrzeug ent haltenen Steuergerät übertragen.The current angular velocity supplied by the yaw rate sensor 10 is scanned in the longitudinal and transverse axes of the vehicle via an analog / digital converter contained in the evaluation circuit 12 and not shown separately. If the motor vehicle 1 is provided with an inclination angle sensor 16 , the inclination angle α is transmitted therefrom to the evaluation circuit 12 , otherwise the inclination information is transmitted from another control device contained in the motor vehicle.
In dem Steuerrechner 14 wird die Winkelgeschwindigkeit in Fahrzeuglängsrichtung bis zum Nickwinkel auf integriert und die Winkelgeschwindigkeit in Fahrzeugquerrichtung bis zum Wankwinkel. Aus dem Nickwinkel, dem Wankwinkel, der Gelände steigung, und den bekannten Größen linker und rechter Rad stand, vordere und hintere Spur sowie Fahrzeuggeschwindigkeit kann die Achslastverteilung berechnet werden. Ein Abgleich des Nick- und Wankwinkels wird jeweils durchgeführt, wenn der Geländesteigungswinkel und die Gierrate den Wert "0" einneh men. Die Gierrate läßt sich auch über die Raddrehzahl nähe rungsweise bestimmen.In the control computer 14 , the angular velocity in the vehicle longitudinal direction up to the pitch angle is integrated and the angular velocity in the vehicle transverse direction up to the roll angle. The axle load distribution can be calculated from the pitch angle, the roll angle, the terrain gradient, and the known sizes of left and right wheel base, front and rear lane and vehicle speed. A comparison of the pitch and roll angle is carried out when the terrain inclination angle and the yaw rate take the value "0". The yaw rate can also be determined approximately using the wheel speed.
Das in dem Steuerrechner 14 der erfindungsgemäßen Schaltungs
anordnung abzuarbeitende Programm wird nun anhand des Ablauf
diagramms von Fig. 4 erläutert. Nach dem Start des Programms
erfolgt in einem ersten (Programm-)Schritt S1 ein Einlesen
folgender Sensordaten oder -signale:
ϕ′ des Nickwinkelsensor 15
x′′+G eines Beschleunigungssensors in Fahrzeuglängsachse
α des Geländesteigungs- oder Neigungswinkelsensors 16 The program to be processed in the control computer 14 of the circuit arrangement according to the invention will now be explained with reference to the flow diagram of FIG. 4. After starting the program, the following sensor data or signals are read in in a first (program) step S1:
ϕ 'of the pitch angle sensor 15
x ′ ′ + G of an acceleration sensor in the vehicle's longitudinal axis
α of the terrain incline or incline angle sensor 16
In einem zweiten Schritt S2 werden die Sensordaten wie folgt
aufbereitet:
ϕ′′ Berechnung der Nickwinkelbeschleunigung aus der Ablei
tung des Nickwinkels nach der Zeit
x′′ Korrektur des Beschleunigungssignals um die Erdanzie
hungskomponente durch die gemessene GeländesteigungIn a second step S2, the sensor data are processed as follows:
ϕ ′ ′ Calculation of the pitch angle acceleration from the derivation of the pitch angle over time
x ′ ′ Correction of the acceleration signal around the Erdanzie component by the measured slope
In einem dritten Schritt S3 erfolgt die Berechnung des stati schen Anteils der Achslastverteilung für die Vorder- und Hin terachse im Bezugspunkt "obere Feder-, Dämpferbefestigung" nach folgenden Beziehungen:In a third step S3, the stati is calculated share of the axle load distribution for the front and rear axis in the reference point "upper spring, damper mounting" according to the following relationships:
fszv_sus = mchassis* g* cos(α)* lh/lfs zv_sus = m chassis * g * cos (α) * l h / l
fszh_sus = mchassis* g* cos(α)* lv/lfs zh_sus = m chassis * g * cos (α) * l v / l
In einem vierten Schritt S4 erfolgt die Berechnung des dyna mischen Anteils der Achslastverteilung für die Vorder- und Hinterachse im Bezugspunkt "obere Feder-, Dämpferbefestigung" nach folgenden Beziehungen:In a fourth step S4, the dyna is calculated mix share of the axle load distribution for the front and Rear axle in the reference point "upper spring, damper attachment" according to the following relationships:
fdzv_sus = -mchassis* (x″ +g*sin(α))* h/l + Θh* Φ″/lfd zv_sus = -m chassis * (x ″ + g * sin (α)) * h / l + Θ h * Φ ″ / l
fdzh-_sus = mchassis* (x″ +g*sin(α))* h/l -Θv* Φ″/lfd zh-_sus = m chassis * (x ″ + g * sin (α)) * h / l -Θ v * Φ ″ / l
In einem fünften Schritt S5 erfolgt eine Filterung der dyna mischen Achslasten der Vorder- und Hinterachse nach folgenden Beziehungen:In a fifth step S5, the dyna is filtered mix axle loads of the front and rear axles according to the following Relationships:
fdzv(n) = al* fdzv_sus(n) +a2* fdzv_sus (n-1) +a3* fdzv_sus (n-2) -b2* fdzv (n-1) -b3* fdzv (n-2)fd zv (n) = al * fd zv_sus (n) + a2 * fd zv_sus (n-1) + a3 * fd zv_sus (n-2) -b2 * fd zv (n-1) -b3 * fd zv (n -2)
fdzh(n) = cl* fdzh_sus(n) +c2* fdzh_sus (n-1) +c3* fdzv_sus (n-2) -d2* fdzh (n-1) -d3* fdzh (n-2)fd zh (n) = cl * fd zh_sus (n) + c2 * fd zh_sus (n-1) + c3 * fd zv_sus (n-2) -d2 * fd zh (n-1) -d3 * fd zh (n -2)
In einem sechsten Schritt S6 erfolgt eine Berechnung der Radaufstandskräfte für die Vorder- und Hinterachse im Bezugs punkt "Reifen Straße" aus dem statischen Anteil der Achs lastverteilung, dem gefilterten, dynamischen Anteil der Achs lastverteilung, den Radaufhängungsmassen und den Radmassen, und zwar nach folgenden BeziehungenIn a sixth step S6, the Wheel contact forces for the front and rear axles in the cover point "tire road" from the static part of the axle load distribution, the filtered, dynamic part of the axis load distribution, the wheel suspension masses and the wheel masses, according to the following relationships
fzv = fszv_sus + fdzv +2* mv_sus +2* mv_rad f zv = fs zv_sus + fd zv + 2 * m v_sus + 2 * m v_rad
fzh = fszh_sus + fdzh +2* mh_sus +2* mh_rad f zh = fs zh_sus + fd zh + 2 * m h_sus + 2 * m h_rad
Damit ist ein Programmdurchlauf an seinem Ende angelangt.This is the end of a program run.
Die Leistungsfähigkeit der vorstehenden Gleichungen ist mit Rechnersimulationen bestätigt worden. Zugrunde gelegt wurde ein Kraftfahrzeug, das aus einer Geschwindigkeit von 80 km/h mit einer Verzögerung von etwa -1,2 m/s² abgebremst wird.The performance of the above equations is with Computer simulations have been confirmed. Was used as a basis a motor vehicle running at a speed of 80 km / h is braked with a deceleration of about -1.2 m / s².
Claims (3)
worin:
fszv_sus der statische Anteil der Horizontalkraft vorne,
fszh_sus der statische Anteil der Horizontalkraft hinten,
fdzv der dynamische Anteil der Radaufstandskraft vorne
fdzh der dynamische Anteil der Radaufstandskraft hinten
mv_sus die Masse einer vorderen Aufhängung
mh_sus die Masse einer hinteren Aufhängung
mv_rad die Masse eines vorderen Rades
mhh_rad die Masse eines hinteren Rades
sind.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the axle loads are calculated with the following formulas for the wheel standing forces on the front axle (f zv ) and on the rear axle (f zh ): f zv = fs zv_sus + fd zv + 2 * m v_sus + 2 * m vrad f zh = fs zh_sus + fd zh + 2 * m h_sus + 2 * mh hrad ,
wherein:
fs zv_sus the static component of the horizontal force at the front,
fs zh_sus the static part of the horizontal force behind,
fd zv the dynamic part of the wheel contact force at the front
fd zh the dynamic part of the wheel contact force at the rear
m v_sus is the mass of a front suspension
m h_sus the mass of a rear suspension
m v_rad the mass of a front wheel
mh h_rad the mass of a rear wheel
are.
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