DE19523191B4

DE19523191B4 - Antriebskraftsteuerung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE19523191B4
Application number: DE19523191A
Authority: DE
Inventors: Koji Matsuno
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2015-06-27
Also published as: GB2290633A; DE19523191A1; US5826209A; JP3571370B2; JPH082275A; GB2290633B; US5734595A; GB9512954D0

Abstract

Antriebskraftsteuerung für ein Fahrzeug mit Motor (2), Kraftstoffeinspritzventil (11), Vorderrädern (8) und Hinterrädern (9), umfassend folgende Merkmale:
– einen Gierwinkelsensor (17), der einen Ist-Gierwinkel des Fahrzeugs (1) erfaßt;
– einen Querbeschleunigungssensor (18), der eine Ist-Querbeschleunigung des Fahrzeugs (1) erfaßt;
– einen Lenkwinkelsensor (16), der einen Lenkwinkel des Fahrzeugs (1) erfaßt;
– einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (15), der eine Fahrzeuggeschwindigkeit erfaßt;
– eine Abweichungsrecheneinrichtung (22) zum Ermitteln einer Abweichung eines berechneten Soll-Gierwinkels von dem gemessenen Ist-Gierwinkel sowie einer Abweichung einer berechneten Soll-Querbeschleunigung von der gemessenen Ist-Querbeschleunigung;
– eine Reifencharakteristik-Steuereinrichtung (23) zum Abschätzen eines Seitenkraftbeiwerts (Kf) des Vorderrads (8) und eines Seitenkraftbeiwerts (Kr) des Hinterrads (9) auf der Basis der Abweichung des Soll-Gierwinkels von dem Ist-Gierwinkel und der Abweichung der Soll-Querbeschleunigung von der Ist-Querbeschleunigung;
– wobei eine Richtungswinkelgeschwindigkeit-Recheneinrichtung (21) den Soll-Gierwinkel und die Soll-Querbeschleunigung zur Beurteilung des Spurhaltevermögens berechnet und diese Werte der Abweichungsrecheneinrichtung (22) zuführt, und...

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebskraftsteuerung für ein Fahrzeug mit Motor, Kraftstoffeinspritzventil, Vorderrädern und Hinterrädern, umfassend einen Gierwinkelsensor, der einen Ist-Gierwinkel des Fahrzeugs erfaßt, einen Querbeschleunigungssensor, der eine Ist-Querbeschleunigung des Fahrzeugs erfaßt, einen Lenkwinkelsensor, der einen Lenkwinkel des Fahrzeugs erfaßt, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, der eine Fahrzeuggeschwindigkeit erfaßt, eine Abweichungsrecheneinrichtung zum Ermitteln einer Abweichung eines berechneten Soll-Gierwinkels von dem gemessenen Ist-Gierwinkel sowie einer Abweichung einer berechneten Soll-Querbeschleunigung von der gemessenen Ist-Querbeschleunigung sowie eine Reifencharakteristik-Steuereinrichtung zum Abschätzen eines Seitenkraftbeiwerts des Vorderrads und eines Seitenkraftbeiwerts des Hinterrads auf der Basis der Abweichung des Soll-Gierwinkels von dem Ist-Gierwinkel und der Abweichung der Soll-Querbeschleunigung von der Ist-Querbeschleunigung.

Im allgemeinen kann in einem linearen Bereich, in dem die Reifenhaftung ausreichend gesichert ist, das Verhalten eines Fahrzeugs bei Beschleunigung in einer Kurve nach Maßgabe eines Fahrzeugbewegungsmodells analysiert werden. In diesem Zustand dreht sich das Fahrzeug innerhalb eines kleinen seitlichen Schräglaufwinkels von beispielsweise bis zu ca. 3° gleichmäßig mit einer seitlichen Bewegung, die einem Gieren des Fahrzeugs entspricht. In einem Fahrzustand jedoch, in dem die Reifenhaftung einen Grenzwert erreicht, beispielsweise beim Fahren auf einer Straße mit kleinem Haftungsreibbeiwert bzw. Reibwert der Fahrbahndecke, kann das Fahrzeugbewegungsmodell für sich nicht angewandt werden, und daher wird die vorgenannte Beziehung zwischen dem Gieren und der seitlichen Bewegung des Fahrzeugs nicht hergestellt. In diesem Grenzzustand zeigt das Fahrzeug beispielsweise im Fall eines Fahrzeugs mit Front antrieb ein ungünstiges Verhalten, indem es nach außen schiebt bzw. driftet, d.h. seine Spur verbreitert sich nach außen infolge eines seitlichen Schlupfs der Vorderräder, wenn die Antriebskraft zu groß ist. Es ist daher bei den Antriebskraftsteuerverfahren wichtig, wie die Stabilität, Manövrierbarkeit und Wendigkeit im Grenzbereich auf der vorgenannten Straße mit kleinem Reibwert sichergestellt werden können.

In bezug auf die Technik der Steuerung eines Fahrzeugverhaltens im Grenzbereich, in dem beispielsweise eine Reifencharakteristik nicht mit einem linearen Ausdruck angenähert werden kann, gibt es ein Verfahren, das in der ungeprüften JP-Patentanmeldung Toku-Gan-Hei 4-179 207, JP 05-338461 A angegeben ist. Diese Patentanmeldung schlägt eine Technik vor, bei der Kurvenkräfte bzw. Seitenkraftbeiwerte der Vorder- und Hinterräder nach Maßgabe der Unterschiede zwischen einem Soll-Gierwinkel und einem Ist-Gierwinkel sowie zwischen einer Soll-Querbeschleunigung und einer Ist-Querbeschleunigung bestimmt werden. Dann wird ein Schräglaufwinkel der Karosserie auf der Grundlage der Bewegungsgleichung erhalten, in der diese Seitenkraftbeiwerte als Parameter enthalten sind, indem der Schräglaufwinkel in Erweiterung auf den Grenzbereich angewandt und damit die Antriebskraft nach Maßgabe des Antriebskraftverteilungsverhältnisses gesteuert wird, das diesem geschätzten Schräglaufwinkel entspricht.

Da jedoch bei dem oben beschriebenen bekannten Steuersystem die Antriebskraft auf der Basis eines geschätzten Schräglaufwinkels der Fahrzeugkarosserie im Grenzbereich gesteuert wird, ergibt sich der Nachteil, daß das Steuersystem unwirksam ist, wenn das Fahrzeug ungeachtet eines Lenkradeinschlags nach außen schiebt bzw. driftet.

Aus der DE 35 45 715 A1 ist eine Einrichtung zur Vortriebsregelung an Kraftfahrzeugen vorbekannt, wobei dort primär auf die Ermittlung der Giergeschwindigkeit abgestellt wird und keine Zustandsschätzung der Richtungswinkelgeschwindigkeit, d.h. eines Kursabweichungsmaßes möglich ist. Die dortige Lösung berücksichtigt als Ausgangsgrößen den Lenkwinkel sowie die Drehzahlen der angetriebenen Räder und eine gemessene Querbeschleunigung oder eine gemessene Gierwinkelgeschwindigkeit. Über eine adaptive Elektronik wird eine Normierung dergestalt vorgenommen, daß unterschiedliche Reifendurchmesser keine Auswirkungen auf das Meßergebnis haben. Auf der Basis dieser Werte wird dann eine korrigierte Querbeschleunigung oder eine korrigierte Gierwinkelgeschwindigkeit berechnet. Auf der Basis eines Vergleichs der gemessenen Werte für die Querbeschleunigung oder die Gierwinkelgeschwindigkeit mit den toleranzbehafteten berechneten Werten wird auf den Antriebsmotor bzw. eine Bremse zur Korrektur der Vortriebsregelung eingewirkt.

Bei der Steuerung für das Fahrzeugverhalten eines Kraftfahrzeugs gemäß DE 42 01 146 A1 wird zusätzlich auf eine Erfassung des Radschlupfes respektive der Seitenkraftbeiwerte eingegangen, um in Verbindung mit den üblichen Größen lineare und Winkelbeschleunigungswerte an einem beliebigen Punkt des Fahrzeugs bezüglich eines frei wählbaren Koordinatensystems bestimmen zu können. Eine Ermittlung der Richtungswinkelgeschwindigkeit erfolgt jedoch nicht.

Bei dem Verfahren zur Regelung der Fahrzeugstabilität gemäß DE 42 29 504 A1 wird von der Regelgröße Giergeschwindigkeit ausgegangen. Als Meßsignale werden der Lenkwinkel, die Querbeschleunigung und die Fahrzeuglängsgeschwindigkeiten genutzt. Da die Meßgröße Querbeschleunigung mit nicht unwesentlichen Meßfehlern aufgrund der Wankbewegungen des Fahrzeugs behaftet ist, werden für einen Vergleich der Ist-Querbeschleunigungswerte zwei unterschiedliche Soll-Vorgabewerte gewählt, die sich einmal innerhalb und einmal außerhalb eines Fahrzeugbewegungsgrenzbereichs befinden. Der Sollwert selbst bzw. die Sollwertbereiche werden in Abhängigkeit vom momentanen Lenkwinkel ausgewählt. Es sollen mit dieser Lösung Unzulänglichkeiten bei der Querbeschleunigungserfassung eliminiert werden, wobei die Regelgenauigkeit von konstanten Vorgabewerten abhängt und unterschiedliche Straßenverhältnisse bzw. Abnutzungszustände der Reifen keine Beachtung finden.

In eine ähnliche Lösungsrichtung führt die DE 39 12 045 A1 .

Die Erfindung soll daher den Nachteil des bekannten Antriebskraftsteuersystems beseitigen, und die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Antriebskraftsteuersystems für ein Fahrzeug, mit dem der gewünschte Kurs des Fahrzeugs unter allen Fahrbedingungen eingehalten werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit der Lehre gemäß Merkmalskombination nach Patentanspruch 1.

Die Recheneinrichtung für die Richtungswinkelgeschwindigkeit berechnet einen Soll-Gierwinkel und eine Soll-Querbeschleunigung und schätzt eine Richtungswinkelgeschwindigkeit durch die Lösung von Fahrzeugbewegungsgleichungen. Die zur Lösung der Bewegungsgleichungen erforderlichen Parameter werden von einem Lenkwinkelsensor und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor geliefert. Außerdem sind zur Lösung der Bewegungsgleichungen die Seitenkraftbeiwerte der Vorder- und der Hinterräder wichtige Parameter, und diese werden von der nachstehend beschriebenen Reifencharakteristik-Steuereinrichtung geliefert.

Die Abweichungs-Recheneinrichtung berechnet eine Abweichung des Soll-Gierwinkels von dem Ist-Gierwinkel auf der Basis des Soll- und des Ist-Gierwinkels und eine Abweichung der Soll-Querbeschleunigung von der Ist-Querbeschleunigung auf der Basis der Soll- und der Ist-Querbeschleunigung. Diese Daten des Ist-Gierwinkels und der Ist-Querbeschleunigung werden von einem Gierwinkelsensor und einem Querbeschleunigungssensor erfaßt und der Abweichungsrecheneinrichtung zugeführt.

Zweck der Reifencharakteristik-Steuereinrichtung ist es, den Seitenkraftbeiwert der Vorder- und der Hinterräder auf der Basis der obigen Abweichung des Soll-Gierwinkels von dem Ist-Gierwinkel und der Abweichung der Soll- von der Ist-Querbeschleunigung zu schätzen.

Die Bestimmungseinrichtung für die Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit bestimmt eine Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit unter Anwendung der Bewegungsgleichungen mit den Parametern des Lenkwinkels, der Fahrzeuggeschwindigkeit sowie eines vorbestimmten Seitenkraftbeiwerts der Vorder- und der Hinterräder. Diese vorbestimmten Seitenkraftbeiwerte werden aus den äquivalenten Seitenkraftbeiwerten eines Reifens auf einer Straße mit großem Reibwert der Fahrbahndecke erhalten.

Die Korrekturkoeffizient-Erzeugungseinrichtung dient der Erzeugung eines Korrekturkoeffizienten zur Herabsetzung der Matorabtriebsleistung. Der Korrekturkoeffizient wird nach Maßgabe der Größe der Differenz zwischen der Richtungswinkelgeschwindigkeit und der Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit bestimmt.

Die Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung steuert eine aus dem Kraftstoffeinspritzventil des Motors einzuspritzende Kraftstoffmenge auf der Grundlage des Korrekturkoeffizienten, um so die auf das Antriebsrad aufgebrachte Antriebskraft zu steuern.

Bei einem Fahrzeug (das bei dieser Ausführungsform ein Fahrzeug mit Frontantrieb ist), das das Antriebskraftsteuersystem gemäß der Erfindung aufweist, wird der Zustand des Fahrzeugkurses, der von Verhaltensänderungen begleitet ist, durch den berechneten Gierwinkel, die berechnete Querbeschleunigung und die Richtungswinkelgeschwindigkeit auf der Basis des Ist-Gierwinkels, der Ist-Querbeschleunigung und der geschätzten Seitenkraftbeiwerte von Vorder- und Hinterrädern überwacht. Wenn das Fahrzeug ein Grenzverhalten, wie etwa ein Nach-außen-Schieben bzw. Driften in einer Kurve auf der Straße mit kleinem Reibwert zeigt, werden auf der Basis der Abweichung zwischen dem berechneten und dem Ist-Gierwinkel sowie der Abweichung zwischen der berechneten und der Ist-Querbeschleunigung die Seitenkraftbeiwerte der Vorder- und Hinterräder nach Maßgabe des Zustands des Grenzverhaltens des Fahrzeugs mit hoher Genauigkeit geschätzt.

Ferner wird die Richtungswinkelgeschwindigkeit in der entsprechenden Recheneinrichtung nach Maßgabe der Abweichung der Fahrzeugspur von dem gewünschten Kurs innerhalb des Grenzbereichsverhaltens des Fahrzeugs geschätzt. Außerdem werden in der Bestimmungseinrichtung für die Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit diese auf der Grundlage des Lenkwinkels und der Fahrzeuggeschwindigkeit auf der Basis der Kurvenfahrcharakteristik des Fahrzeugs auf der Straße mit großem Reibwert bestimmt, und in der Korrekturkoeffizient-Erzeugungseinrichtung wird ein Korrekturkoeffizient zur Herabsetzung der Motorabtriebsleistung nach Maßgabe des Grads der Abweichung der Richtungswinkelgeschwindigkeit von der Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit, d.h. nach Maßgabe des Grads der Abweichung des Fahrzeugs von seinem gewünschten Kurs, bestimmt.

Schließlich wird in der Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung die von dem Einspritzventil eingespritzte Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von der Größe des Korrekturkoeffizienten herabgesetzt. Infolgedessen wird die auf das Vorderrad wirkende Querkraft verringert, und die Erscheinung des Nachaußen-Schiebens wird wirkungsvoll unterdrückt, so daß die Spurhaltefähigkeit des Fahrzeugs sichergestellt wird.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
1 ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform des Antriebskraftsteuersystems gemäß der Erfindung für ein Fahrzeug zeigt;
2 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs (mit Frontantrieb), in das ein Antriebskraftsteuersystem gemäß der Erfindung eingebaut ist;
3 ein Diagramm, das die Bewegung eines Fahrzeugs und eines Zweirad-Fahrzeugmodells zeigt;
4 ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Korrekturkoeffizienten der Motorabtriebsleistung und einem Abweichungsverhältnis einer Winkelgeschwindigkeit der Kursrichtung von einer Soll-Winkelgeschwindigkeit der Kursrichtung; und
5 ein Diagramm einer Fahrspur, die durch ein auf einem Kreis fahrendes Fahrzeug erzeugt wird.
In 2 ist ein Fahrzeug 1 (in diesem Fall mit Frontantrieb) gezeigt, und ein Motor 2 ist im vorderen Teil des Fahrzeugs 1 eingebaut. Der Motor 2 ist mit einem Getriebe 4 über eine Kupplung 3 verbunden. Eine Antriebswelle 5 des Getriebes 4 ist mit einem Vorderrad 8 über ein Differential 6 und eine Radachse 7 verbunden, um Antriebskraft auf die Vorderräder 8 zu übertragen. An der Rückseite des Fahrzeugs 1 sind Hinterräder 9 angeordnet. Als Antriebskraftsteuereinrichtung ist ein Kraftstoffeinspritzventil 11 an dem Motor 2 an der Abstromseite einer Drosselklappe 10 im Ansaugluftsystem des Motors 2 angeordnet, um die Ausgangsleistung des Motors 2 durch ein Einspritzmengensignal Tp zu steuern, das dem Kraftstoffeinspritzventil 11 von einer Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung 12 zugeführt wird.
Außerdem hat das Fahrzeug 1 einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 15, der eine Fahrzeuggeschwindigkeit V erfaßt, einen Lenkwinkelsensor 16, der einen Lenkwinkel δf erfaßt, einen Gierwinkelsensor 17, der einen Ist-Gierwinkel γ' erfaßt, und einen Querbeschleunigungssensor 18, der eine Ist-Querbeschleunigung Gy' erfaßt. Die Signale dieser verschiedenen Sensoren werden einer Steuereinheit 20 zugeführt und darin verarbeitet.
Als nächstes wird ein elektronisches Steuersystem dieser Ausführungsform beschrieben. Vor der Beschreibung des elektronischen Steuersystems soll zum besseren Verständnis das Grundprinzip der Steuerung erläutert werden.
Es ist allgemein bekannt, daß das Kurvenfahrverhalten oder Spurhaltevermögen eines Fahrzeugs weitgehend von einer Änderung des Haftreibungsbeiwerts bzw. Reibwerts der Fahrbahndecke abhängt. Wenn der Reibwert der Fahrbahndecke klein wird und einen Wert etwa bei der Grenze der Reifenhaftung erreicht, wird die Seitenkraft des Reifens nach der Theorie des Reibungskreises verringert. Wenn diese Verringerung der Reifenseitenkraft als eine Verringerung der Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr der Vorder- und Hinterräder angesehen wird, kann ein Fahrzeugbewegungsmodell eines linearen Bereichs erweitert auf einen Grenzbereich angewandt werden.
Dabei werden ein Gierwinkel γ und eine Querbeschleunigung Gy berechnet durch Lösen von Fahrzeagbewegungsgleichungen auf der Basis eines Lenkwinkels δf und einer Fahrzeuggeschwindigkeit V, und dann wird eine Abweichung Δγ des Gierwinkels γ von einem Ist-Gierwinkel γ' bzw. eine Abweichung ΔG der Querbeschleunigung Gy von einer Ist-Querbeschleunigung Gy' berechnet. Auf der Basis dieser Abweichungen Δγ und ΔG können die Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr der Vorder- und Hinterrä der mit hoher Genauigkeit entsprechend einem Fahrzeugverhalten im Grenzbereich geschätzt werden. Einzelheiten dieser Rechenvorgänge sind in der JP-Patentanmeldung Nr. Toku-Gan-Hei 4-179207 beschrieben.
Unter den Zustandsvariablen, die ein Spurhaltevermögen des Fahrzeugs 1 bezeichnen, gibt es eine Winkelgeschwindigkeit ν der Kursrichtung (nachstehend als Richtungswinkelgeschwindigkeit ν bezeichnet). Die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν ist ein Wert, der erhalten wird durch Differenzierung eines Kursrichtungswinkels Θ nach Maßgabe einer Fahrspur des Fahrzeugs 1, das eine Kurve mit einem Radius R fährt, wie 5 zeigt, und wird ausgedrückt als eine Funktion eines reziproken Werts 1/R des Drehradius R, der Fahrzeuggeschwindigkeit V, der Querbeschleunigung Gy und des Gierwinkels γ. Daher ändert sich der Wert der Richtungswinkelgeschwindigkeit ν nicht, solange das Fahrzeug nicht von dem Bezugskreis entfernt ist, selbst wenn eine Änderung im Verhalten des Fahrzeugs während des Drehens auf einer Straße mit kleinem Reibwert stattfindet; wenn sich das Fahrzeug jedoch aus dem Bezugskreis entfernt, d.h. wenn sich das Fahrzeug nach außen schiebt, wird dieser Wert kleiner, und wenn es nach innen geht, wird der Wert größer. Das heißt also, die Änderung der Richtungswinkelgeschwindigkeit ν bezeichnet einen Zustand der Abweichung des Fahrzeugs vom Kurs. Somit kann das Spurhaltevermögen des Fahrzeugs verbessert werden, indem die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν überwacht wird.
Als nächstes wird die Art und Weise der Berechnung der Richtungswinkelgeschwindigkeit ν beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 3(a) und 3(b) wird die Bewegung eines Schwerpunkts P beschrieben. Dabei ist ein bodenbezogenes Koordinatensystem mit X-Y und ein fahrzeugbezogenes Koordinatensystem mit x-y bezeichnet. Winkel um eine Vertikalachse sind nach links positiv und nach rechts negativ definiert. Unter der Annahme, daß das Fahrzeug mit kon stanter Geschwindigkeit fährt, wird ein Geschwindigkeitsvektor des Punkts P wie folgt geschrieben: Ṙ = ua + vb (1)mit R = Positionsvektor an dem Punkt P in der Koordinatenebene X-Y; a = Einheitsvektor in x-Richtung; b = Einheitsvektor in y-Richtung; u = Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung; und v = Geschwindigkeitskomponente in y-Richtung.
Ein Beschleunigungsvektor des Punkts P wird wie folgt geschrieben: R .. = u .a + ua . + v .b + vb . (2).
Wenn Δa, Δb Abweichungswerte für eine Δt-Sekunde sind und γ einen Gierwinkel des Fahrzeugs bezeichnet, so wird, weil Δa = γΔtb, Δb = –γΔta, der Geschwindigkeitsvektor von a, b wie folgt geschrieben: a . = γb, b . = –γa (3).
Daher ist der Beschleunigungsvektor des Punkts P wie folgt: R .. = (u . – vγ)a + (v . + uγ)b (4).
Da das Fahrzeug mit der konstanten Geschwindigkeit fährt, ist die Fahrzeuggeschwindigkeit V konstant. In diesem Fall wird die Bewegung des Punkts P unter Anwendung eines seitlichen Schräglaufwinkels β (β ist klein) wie folgt geschrieben: u = Vcosβ ≑ V, v = Vsinβ ≑ Vβ u . = –Vsinβ β . = –Vβ β ., v . = Vcosβ β . = Vβ . (5).
Die Substitution der Gleichungen (5) in die Gleichung (4) führt zu der folgenden Gleichung: R .. = –V(β . + γ)β a + V(β . + γ)b (6).
Wenn ferner der seitliche Schräglaufwinkel β klein ist, wird die Gleichung (6) wie folgt geschrieben: R .. ≑ V(β . + γ)b (7).
Das heißt also, daß man davon ausgehen kann, daß der Schwerpunkt P des Fahrzeugs eine Beschleunigung hat, deren Richtung senkrecht zu der Richtung ist, in der das Fahrzeug fährt, und die Beschleunigung durch die Fahrzeuggeschwindigkeit V, die Änderung des seitlichen Schräglaufwinkels β und den Gierwinkel γ bestimmt ist. Daher werden die Querbeschleunigung Gy und die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν nach Maßgabe der folgenden Gleichung (8) berechnet: Gy = V(β . + γ) = Vν (8).
Unter Verwendung eines zweirädrigen Fahrzeugmodells gemäß 3(c) wird eine Bewegungsgleichung beim Drehen des Fahrzeugs auf einem festen Kreis beschrieben.
Die folgenden Gleichungen, deren Variablen der seitliche Schräglaufwinkel β und der Gierwinkel γ sind, werden aufgestellt: mV(β . + γ) = Yf + Yr (9) Iγ . = LfYf – LrYr (10)mit m = Fahrzeugmasse; V = Fahrzeuggeschwindigkeit; I = Trägheit des Giermoments; Yf, Yr = Seitenführungskraft des Vorder- bzw. des Hinterrads; und Lf, Lr = Entfernung vom Schwerpunkt zum Mittelpunkt des Vorder- bzw. des Hinterrads.
In dem Bereich, in dem davon ausgegangen wird, daß die Seitenführungskräfte Yf, Yr in linearer Beziehung zu den Schräglaufwinkeln βf, βr stehen, werden unter Nutzung der äquivalenten Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr die Seitenführungskräfte Yf, Yr als Yf = 2Kfβf, Yr = 2Krβr geschrieben. Unter Substitution dieser Werte in den Gleichungen (9) und (10) werden die folgenden Gleichungen erhalten: mV(β . + γ) = 2Kf(δf – β – Lfγ/V) + 2Kr(δr – β + Lrγ/V) (11) Iγ . = 2LfKf(δf – β – Lfγ/V) + 2LrKr(δr – β + Lrγ/V) (12)mit δf = Lenkwinkel.
Unter Anwendung dieser drei Gleichungen (8), (11) und (12) werden der Gierwinkel γ, die Querbeschleunigung Gy und die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν berechnet.
Auf der Basis des obigen Grundprinzips wird nachstehend das Steuersystem gemäß 1 beschrieben.
Die Steuereinheit 20 umfaßt eine Recheneinrichtung 21 für die Richtungswinkelgeschwindigkeit, in die der Lenkwinkel δf, die Fahrzeuggeschwindigkeit V und die geschätzten Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr der Vorder- und Hinterräder eingegeben werden. Diese Parameter bilden ein adaptives Beobachtungssystem entsprechend der Theorie der adaptiven Steuerung. Der wichtige Gesichtspunkt bei dem vorliegenden Steuersystem ist, daß der Gierwinkel γ, die Querbeschleunigung Gy und die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν berechnet werden, indem die obigen Bewegungsgleichungen (8), (11) und (12) erweitert auf den Grenzbereich angewandt werden. Außerdem werden der Gierwinkel γ und die Querbeschleunigung Gy, die in der Recheneinrichtung 21 für die Richtungswinkelge schwindigkeit berechnet werden, zu einer Abweichungsrecheneinrichtung 22 übertragen, in der Abweichungen Δγ und ΔG berechnet werden durch Subtraktion des Ist-Gierwinkels γ' bzw. der Ist-Querbeschleunigung Gy' von dem berechneten Gierwinkel γ bzw. von der berechneten Querbeschleunigung Gy.
Die Abweichung Δγ des Gierwinkels und die Abweichung ΔG der Querbeschleunigung werden in eine Reifencharakteristik-Steuereinrichtung eingegeben, in der die Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr der Vorder- und Hinterräder auf der Basis dieser Abweichungen Δγ und ΔG geschätzt werden. Wenn die Ist-Querbeschleunigung Gy abnimmt und ΔG positiv ist, sollten beide Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr verringert werden, da entschieden wird, daß das Fahrzeug nach außen schiebt (driftet) oder durchdreht. Wenn dagegen ΔG negativ ist, sollten Kf und Kr vergrößert werden, da beurteilt wird, daß das Fahrzeug nach innen zieht.
Wenn der Ist-Gierwinkel γ kleiner wird und Δγ positiv ist, was bedeutet, daß das Fahrzeug nach außen schiebt bzw. driftet, sollte der Seitenkraftbeiwert Kf der Vorderräder verringert und der Seitenkraftbeiwert Kr der Hinterräder vergrößert werden. Wenn der Ist-Gierwinkel γ größer wird und Δγ negativ ist, was bedeutet, daß das Fahrzeug durchdreht, sollte der Seitenkraftbeiwert Kf der Vorderräder vergrößert und der Seitenkraftbeiwert Kr der Hinterräder verringert werden. Wie die Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr nach Maßgabe des Zustands beider Abweichungen Δγ, ΔG korrigiert werden, ist in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengefaßt: Tabelle 1
Die Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr, die dem Nach-außen-Driften oder Durchdrehen des Fahrzeugs im Grenzbereich entsprechen, werden in jedem Augenblick korrekt bestimmt, indem die vorher erhaltenen Seitenkraftbeiwerte um ein vorbestimmtes Inkrement nach Maßgabe der Tabelle 1 verringert oder vergrößert werden.
Die Steuereinheit 20 hat ferner eine Bestimmungseinrichtung 24 für eine Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit ν0, die dem momentanen Lenkwinkel δf und der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit V entspricht. Das heißt, die Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit ν0 wird unter Anwendung der vorgenannten Bewegungsgleichungen (8), (11) und (12) bestimmt. Bei der Lösung dieser Gleichungen werden von ihren Parametern die Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr als jeweilige Konstantwerte auf der Straße mit hohem Reibwert angenommen.
Die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν und die Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit ν0 werden in die Korrekturkoeffizient-Erzeugungseinrichtung 25 eingegeben, in der der Zustand der Abweichung des Fahrzeugs von seinem gewünschten Kurs aufgrund der Differenz zwischen der berechneten Richtungswinkelgeschwindigkeit ν und der Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit ν0 beurteilt und ein Steuersignal zur Steuerung der Motorleistung abgegeben wird, d.h. es wird ein Korrekturkoeffizient Ke zur Korrektur der Motorleistung berechnet. Der Korrekturkoeffizient Ke wird beispielsweise, wie in 4 gezeigt, als eine Funktion des Abweichungsverhältnisses e bestimmt, wobei e = (ν – ν0)/ν0.
Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform die Fahrspur den gewünschten Kurs verläßt, wird dabei ν kleiner als 0 (ν < ν0), und das Abweichungsverhältnis e wird negativ. Wenn dagegen die Fahrzeugspur auf ihren gewünschten Kurs kommt, wird ν größer als ν0 (ν > ν0), und das Abweichungsverhältnis e wird positiv. Wenn das Abweichungsverhältnis 20% auf der positiven oder der negativen Seite überschreitet, wird der Korrekturkoeffizient Ke so festgelegt, daß er entsprechend einer Erhöhung oder Verringerung des Abweichungsverhältnisses verringert wird. Das Signal des Korrekturkoeffizienten Ke wird an die Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung 12 abgegeben, um die Einspritzmenge Tp zu korrigieren. Wenn also Ke gleich 1,0 ist, erfolgt keine Korrektur der Einspritzmenge Tp, und wenn Ke zu Null wird, wird die Einspritzmenge Tp beispielsweise auf den kleinsten Wert korrigiert.
Als nächstes wird die Funktionsweise der Ausführungsform beschrieben.
Wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, liefert der Motor 2 durch das Getriebe 4 und das Differential 6 eine Abtriebskraft an die Vorderräder 8. Die zugeführte Abtriebskraft wird durch Steuerung der Einspritzmenge Tp des Kraftstoffeinspritzventils 11 gesteuert.
Dann werden in der Recheneinrichtung 21 für die Richtungswinkelgeschwindigkeit, die in der Steuereinheit 20 vorgesehen ist, der Gierwinkel γ, die Querbeschleunigung Gy und die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν berechnet, und in der Abweichungsrecheneinrichtung 22 werden die Abweichungen Δγ und ΔG auf der Basis des berechneten Gierwinkels γ und der berechneten Querbeschleunigung Gy sowie auf der Basis des erfaßten Ist-Gierwinkels γ' und der erfaßten Ist-Querbeschleunigung Gy' berechnet. In der Reifencharakteristik-Steuereinrichtung 23 werden die Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr der Vorder- bzw. Hinterräder 8, 9 nach Maßgabe der Steuermethode geschätzt, die auf der Theorie der adaptiven Steuerung basiert. Schließlich wird die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν in der Recheneinrichtung 21 für die Richtungswinkelgeschwindigkeit berechnet, und der Abweichungszustand des Fahrzeugs von seinem gewünschten Kurs wird ständig überwacht.
Wenn das Fahrzeug auf einer Straße mit trockener Fahrbahndecke fährt, also einer Straße mit hohem Reibwert, wobei die Reifenhaftung ausreichend ist, sind der berechnete Gierwinkel γ und die berechnete Querbeschleunigung Gy annähernd gleich dem Ist-Gierwinkel γ' bzw. der Ist-Querbeschleunigung Gy'. Deshalb sind die Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr, die in der Reifencharakteristik-Steuereinrichtung 23 geschätzt werden, diejenigen, die der Reifen ursprünglich besitzt, und daher ist die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν annähernd gleich der Ist-Richtungswinkelgeschwindigkeit ν0. Infolgedessen wird der Korrekturkoeffizient Ke zur Korrektur der Motorleistung 1,0 entsprechend der in 4 gezeigten Tabelle, und die Motorleistung wird somit nicht korrigiert.
Wenn dagegen das Fahrzeug auf einer Straße mit kleinem Reibwert eine Kurve unter Beschleunigung durchfährt, wird die Seitenführungskraft des vorderen Laufrads 8 klein, und infolgedessen gelangt das Fahrzeug in eine Situation, in der ein seitlicher Schlupf zuerst auf der Vorderradseite eintritt. Wenn das Vorderrad 8 die Reifenhaftungsgrenze überschreitet und in Querrichtung nach außen Schlupf hat, wie 5 zeigt, weicht die Fahrzeugspur n von dem vorgegebenen Kurs m nach außen ab. In diesem Augenblick werden beide Abweichungen ΔG und Δγ positiv infolge der Verringerung der Ist-Querbeschleunigung Gy' und des Ist-Gierwinkels γ', und infolgedessen werden die Seitenkraftbeiwerte Kf, Kr der Vorder- und Hinterräder so korrigiert, daß der Seitenkraftbeiwert Kf des Vorderrads stärker verringert wird. Dadurch wird die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν, die in der Recheneinrichtung 21 berechnet wird, zu einem kleinen Wert unter abruptem Ansprechen auf die Fahrzeugsituation "Nach-außen-Schieben" auf der Straße mit kleinem Reibwert. Wenn ferner das Abweichungsverhältnis e der Richtungswinkelgeschwindigkeit ν von der Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit ν0 einen Wert von –20% überschreitet, wird der Korrekturkoeffizient Ke mit weniger als 1,0 bestimmt, um die Motorleistung zu verringern, wie das Diagramm von 4 zeigt.
Somit wird durch diesen Korrekturkoeffizienten Ke die Einspritzmenge Tp des Kraftstoffeinspritzventils 11 verringert, und infolgedessen wird die Antriebskraft des Vorderrads 8 verringert. Dann wird die Seitenführungskraft des Reifens des Vorderrads 8 unter Verringerung der Antriebskraft erhöht, und infolgedessen wird der seitliche Schlupf des Vorderrads 8 begrenzt. Somit wird verhindert, daß sich das Fahrzeug 1 nach außen schiebt, und die Fahrzeugspur n wird so korrigiert, daß sie mit dem Zielkurs m übereinstimmt.
Wenn ein Nach-außen-Schieben des Fahrzeugs 1 verhindert wird, ist die Ist-Querbeschleunigung Gy' wiederhergestellt, und der Ist-Gierwinkel γ' wird größer. Dann wird auch die berechnete Richtungswinkelgeschwindigkeit ν erhöht. Die Motorleistung wird allmählich auf den Ausgangszustand zurückgeführt, während das Abweichungsverhältnis e kleiner wird. Somit kann das Fahrzeug 1 gleichmäßig gedreht werden, ohne von der Spur abzuweichen, die auf der Kurvencharakteristik auf der Straße mit großem Reibwert basiert, und zwar auch im Grenzbereich auf einer Straße mit kleinem Reibwert.
Wenn dagegen im Fall eines Fahrzeugs mit Hinterradantrieb das Fahrzeug auf einer Straße mit kleinem Reibwert unter Beschleunigung eine Kurve durchfährt, tritt ein seitlicher Schlupf zuerst am Hinterrad auf, und das Fahrzeug 1 gelangt in den Durchdrehbereich. Wenn die Fahrzeugspur n zur Innenseite des Zielkurses m kommt und das Fahrzeug durchzudrehen beginnt, wird die Richtungswinkelgeschwindigkeit ν auf die gleiche Weise, wie vorher erläutert, berechnet. Wenn das Abweichungsverhältnis e einen Wert von +20% überschreitet, wirkt der Korrekturkoeffizient Ke auf die Einspritzsteuervorrichtung 12 ein, um die Motorleistung herabzusetzen, so daß das Fahrzeug auch im Grenzbereich auf der Straße mit kleinem Reibwert eine gleichmäßige Kurve fahren kann.
Bei einem Fahrzeug mit Allradantrieb, bei dem die Antriebskraft zwischen den Vorder- und den Hinterrädern verteilt werden kann, kann der Korrekturkoeffizient Ke genutzt werden, um ein Verhältnis der Antriebskraftverteilung zwischen den Vorder- und den Hinterrädern zu ändern. Wenn beispielsweise das Fahrzeug nach außen schiebt bzw. driftet, kann der Korrekturkoeffizient Ke so geändert werden, daß er auf das Hinterrad eine größere Antriebskraft als auf das Vorderrad verteilt, und wenn das Fahrzeug durchdreht, kann der Koeffizient Ke so geändert werden, daß auf das Vorderrad eine größere Antriebskraft als auf das Hinterrad verteilt wird.
Zusammenfassend weist also das Antriebskraftsteuersystem gemäß der Erfindung folgendes auf: eine Recheneinrichtung zum Berechnen der Richtungswinkelgeschwindigkeit, die den Zustand der Abweichung des Fahrzeugs von seinem Zielkurs bezeichnet, eine Abweichungsrecheneinrichtung, die eine Abweichung des berechneten Gierwinkels von dem erfaßten Gierwinkel sowie eine Abweichung der berechneten Querbeschleunigung von der erfaßten Querbeschleunigung berechnet, eine Reifencharakteristik-Steuereinrichtung, die die Seitenkraftbeiwerte der Vorder- und Hinterräder auf der Basis der von der Abweichungsrecheneinrichtung berechneten Abweichungen schätzt, eine Bestimmungseinrichtung, um die Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit auf der Basis des Ist-Lenkwinkels und der Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen, und eine Korrekturkoeffizient-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Korrekturkoeffizienten, um die Motorleistung so zu korrigieren, daß die Antriebskraft der Räder gesteuert wird.
Da das so aufgebaute Antriebskraftsteuersystem die Positionsabweichung des Fahrzeugs von seinem Fahrkurs ständig überwacht und die Antriebskraft dann, wenn diese Abweichung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, so gesteuert wird, daß die Abweichung aufgehoben wird, kann auch unter Grenzbedingungen auf einer Straße mit kleinem Reibwert verhindert werden, daß das Fahrzeug nach außen schiebt oder durchdreht.

Claims

Antriebskraftsteuerung für ein Fahrzeug mit Motor (2), Kraftstoffeinspritzventil (11), Vorderrädern (8) und Hinterrädern (9), umfassend folgende Merkmale: – einen Gierwinkelsensor (17), der einen Ist-Gierwinkel des Fahrzeugs (1) erfaßt; – einen Querbeschleunigungssensor (18), der eine Ist-Querbeschleunigung des Fahrzeugs (1) erfaßt; – einen Lenkwinkelsensor (16), der einen Lenkwinkel des Fahrzeugs (1) erfaßt; – einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (15), der eine Fahrzeuggeschwindigkeit erfaßt; – eine Abweichungsrecheneinrichtung (22) zum Ermitteln einer Abweichung eines berechneten Soll-Gierwinkels von dem gemessenen Ist-Gierwinkel sowie einer Abweichung einer berechneten Soll-Querbeschleunigung von der gemessenen Ist-Querbeschleunigung; – eine Reifencharakteristik-Steuereinrichtung (23) zum Abschätzen eines Seitenkraftbeiwerts (Kf) des Vorderrads (8) und eines Seitenkraftbeiwerts (Kr) des Hinterrads (9) auf der Basis der Abweichung des Soll-Gierwinkels von dem Ist-Gierwinkel und der Abweichung der Soll-Querbeschleunigung von der Ist-Querbeschleunigung; – wobei eine Richtungswinkelgeschwindigkeit-Recheneinrichtung (21) den Soll-Gierwinkel und die Soll-Querbeschleunigung zur Beurteilung des Spurhaltevermögens berechnet und diese Werte der Abweichungsrecheneinrichtung (22) zuführt, und die Richtungswinkelgeschwindigkeit unter Anwendung von Bewegungsgleichungen adaptiv abschätzt, die als Parameter den Lenkwinkel, die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Seitenkraftbeiwert des Vorderrads und den Seitenkraftbeiwert des Hinterrads aufweisen; – eine Bestimmungseinrichtung (24) zum Bestimmen einer Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit unter Anwendung der Bewegungsgleichungen, die als Parameter den Lenkwinkel und die Fahrzeuggeschwindigkeit nutzen; – eine Korrekturkoeffizient-Erzeugungseinrichtung (25) zum Erzeugen eines Korrekturkoeffizienten auf der Basis der geschätzten Richtungswinkelgeschwindigkeit und der Soll-Richtungswinkelgeschwindigkeit; und – eine Kraftstoffeinspritz-Steuervorrichtung (12), die eine aus dem Kraftstoffeinspritzventil (11) des Motors (2) einzuspritzende Kraftstoffmenge auf der Basis des Korrekturkoeffizienten steuert, um dadurch die auf das Antriebsrad aufgebrachte Antriebskraft vorzugeben.
Antriebskraftsteuerung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch – eine Antriebskraftverteilung-Steuereinrichtung zum Bestimmen eines Antriebskraftverteilungsverhältnisses zwischen dem jeweiligen Vorderrad (8) und dem jeweiligen Hinterrad (9) auf der Basis des Korrekturkoeffizienten (Ke).
Antriebskraftsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Seitenkraftbeiwerte der Vorder- und Hinterräder von der Reifencharakteristik auf einer Straße mit hohem Reibwert abgeleitet sind.