DE10017506C2 - Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeuges

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades, dem eine Luftfeder zugeordnet ist, mit der der Fahrzeugaufbau gegenüber dem Kraftfahrzeugrad abgefedert ist.
Moderne Kraftfahrzeuge verfügen häufig über mindestens ein Fahrstabilitätssystem, wie z. B. einem Antiblockiersystem (ABS) oder einem elektronisch geregelten Stabilitätsprogramm (ESP), das eine ungewünschte Drehung des Kraftfahrzeuges um die Hochachse unterdrückt. Die heutigen Fahrstabilitätsprogramme überwachen mit Sensoren die Rotation der Räder des Kraftfahrzeuges und leiten daraus die für einen Regelvorgang notwendigen Regelgrößen, z. B. die Bremskraft an den einzelnen Rädern, ab. Die bestehenden Fahrstabilitätsprogramme ließen sich verbessern, wenn sich zusätzlich zu den Drehzahlen die Radaufstandskräfte der einzelnen Räder überwachen ließen. So ist es einleuchtend, dass bei einem Bremsvorgang ein Rad mit einer geringen Radaufstandskraft mit weniger Bremskraft zu beaufschlagen ist als ein Rad mit einer hohen Aufstandskraft, um in der gleichen Fahrsituation des Kraftfahrzeuges ein Blockieren des Rades zu unterdrücken. Darüber hinaus lassen sich aus den Radaufstandskräften weitere wichtige physikalische Größen des Kraftfahrzeuges, wie z. B. seine Gewichtskraft bzw. Masse und die Achslastverteilungen berechnen. Bisher ist kein Verfahren bekannt geworden, mit dem mit geringem Aufwand die Radaufstandskräfte der Räder des Kraftfahrzeuges exakt bestimmt werden können.
Aus der DE 199 04 216 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen und Erkennen der Kippgefahr eines Fahrzeuges mittels dynamischer Erkennung von Änderungen des Fahrzeugschwerpunktes bekannt, das wie folgt betrieben wird: Während der Kurvenfahrt des Fahrzeuges wird an mindestens zwei Rädern eine erste Zustandsgröße erfasst, die mit der jeweiligen Radlast korrespondiert. Die erfassten Zustandsgrößen werden mit Referenzwerten verglichen, die die jeweilige Kurvenfahrt repräsentieren. Aus den Abweichungen zwischen den erfassten Zustandsgrößen und den Referenzwerten wird eine Schwerpunktveränderung berechnet. Weist diese Schwerpunktveränderung auf einen kritischen Kippzustand des Fahrzeuges hin, so werden kippverhindernde Gegenmaßnahmen eingeleitet, indem eine aktive Regelung vorgenommen wird oder eine passive Warnung an den Fahrer ergeht. Als mit der Radlast korrespondierende Zustandsgröße, die während der Kurvenfahrt erfasst wird, kann der an der Radaufhängung messbare Federweg, der Federdruck, der am Stoßdämpfer messbare Dämpferdruck, der Reifeninnendruck oder die Seitendeformation des Reifens zugrunde gelegt werden. Darüber hinaus ist es der DE 199 04 216 A1 zu entnehmen, das der statische Schwerpunkt des Kraftfahrzeuges durch die Messung des Druckes in einer Höhenstandsregeleinrichtung des Fahrzeuges bestimmt werden kann. Es ist der genannten Druckschrift nicht zu entnehmen, wie in einem Fahrzeug die Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades, dem eine Luftfeder zugeordnet ist, exakt und auf einfache Art und Weise gemessen werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Radaufstandskräfte der Räder eines Kraftfahrzeuges auf einfache Art und Weise bestimmt werden können.
Die Aufgabe wird gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 in folgenden Verfahrensschritten gelöst:
  • - Es wird eine stationäre Radaufstandskraft aus dem Produkt der wirksamen Querschnittsfläche der Luftfeder und dem Druck in der Luftfeder berechnet
  • - es wird eine dynamische Radaufstandskraft aus dem Produkt der Federsteifigkeit der Luftfeder und der Auslenkung der Luftfeder aus ihrer Ruhelage berechnet
  • - es wird zur Bestimmung der Radaufstandskraft die stationäre Radaufstandskraft und die dynamische Radaufstandskraft addiert.
Die Berechnung der stationären Radaufstandskraft erfolgt unter Zugrundelegung der Ruhelage des Fahrzeugaufbaus im Bereich des Kraftfahrzeugrades. Unter der Ruhelage des Fahrzeugaufbaus im Bereich des Kraftfahrzeugrades ist die Lage des Fahrzeugaufbaus zu verstehen, die dieser stationär einnimmt, wenn auf ihn ausschließlich seine Gewichtskraft (inklusive der Zuladung) wirkt.
Unter stationärer Radaufstandskraft ist die Radaufstandskraft zu verstehen, die an einem Rad allein aufgrund der in vertikaler Richtung ruhenden Fahrzeugmasse erzeugt wird. Unter dynamischer Radaufstandskraft ist die Radaufstandskraft zu verstehen, die an einem Rad aufgrund eines in vertikaler Richtung schwingenden Fahrzeugaufbaus oder der Räder erzeugt wird.
Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass in einem Kraftfahrzeug, das über eine Luftfederungsanlage verfügt, die Radaufstandskräfte an den Rädern, denen eine Luftfeder zugeordnet ist, einfach berechnet werden können. ist jedem Rad des Kraftfahrzeuges eine Luftfeder zugeordnet, so können die Radaufstandskräfte aller Räder des Kraftfahrzeuges berechnet werden. Die Luftfederungsanlage braucht zur Berechnung der Radaufstandskräfte nicht über Bestandteile zu verfügen, die nicht ohnehin in einer herkömmlichen Luftfederungsanlage vorhanden sind. Aus diesem Grunde erhöhen sich die Kosten einer Luftfederungsanlage, in der die Radaufstandskräfte berechnet werden, gegenüber einer herkömmlichen Luftfederungsanlage nicht.
Bei der Berechnung der stationären Radaufstandskraft kann für die wirksame Querschnittsfläche ein fester Wert angenommen werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn sich die wirksame Querschnittsfläche der Luftfeder in Abhängigkeit von ihrer Auslenkung nur wenig oder gar nicht ändert, wie dies beispielsweise bei einer Luftfeder mit einem strengzylindrischen Abrollkolben der Fall ist. Auch bei der Berechnung der dynamischen Radaufstandskraft kann für die Federsteifigkeit ein konstanter Wert angenommen werden. Bevorzugt wird jedoch bei der Berechnung der stationären Radaufstandskraft die Höhenabhängigkeit der wirksamen Querschnittsfläche und bei der Berechnung der dynamischen Radaufstandskraft die Höhenabhängigkeit der Federsteifigkeit der Luftfeder berücksichtigt, so wie es auch in Anspruch 2 beansprucht ist. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass sowohl die stationäre Radaufstandskraft als auch die dynamische Radaufstandskraft und somit die gesamte Radaufstandskraft exakt berechnet werden können. Die höhenabhängige wirksame Querschnittsfläche und die höhenabhängige Federsteifigkeit der Luftfeder können aus einer Tabelle oder aus einer Kennlinie auf einfache Art und Weise bestimmt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3
  • - ist der Fahrzeugaufbau gegenüber mindestens einer Fahrzeugachse, die einen Querstabilisator enthält, mit Luftfedern abgefedert, und
  • - wird aus dem Produkt der Federsteifigkeit des Querstabilisators und der Differenz der Auslenkungen der Luftfedern aus ihrer Ruhelage eine Ausgleichskraft berechnet und
  • - werden zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Rades der Fahrzeugachse die stationäre Radaufstandskraft und die dynamische Radaufstandskraft und, vorzeichenberichtigt, die Ausgleichskraft addiert.
Der Querstabilisator wirkt einer Schiefstellung des Fahrzeuges entgegen und versucht, dieses in die waagerechte Lage "zurückzudrücken". Dadurch werden an den Rädern der Achse, der der Querstabilisator zugeordnet ist, zusätzliche Kräfte (im Anspruch Ausgleichskräfte genannt) erzeugt. Wenn das Fahrzeug beispielsweise nach links geneigt ist, entlastet der Querstabilisator die linke Seite des Fahrzeuges und belastet die rechte Seite des Fahrzeuges, um das Fahrzeug in die waagerechte Position zu drücken. Dementsprechend ist bei der Berechnung der Radaufstandskraft für das Kraftfahrzeugrad auf der linken Seite zu der stationären und zu der dynamischen Radaufstandskraft eine negative Ausgleichskraft zu addieren und für das Rad auf der rechten Seite des Fahrzeuges eine positive Ausgleichskraft zu addieren (Näheres siehe Figurenbeschreibung). Der Vorteil der Weiterbildung ist darin zu sehen, dass bei der Berechnung der gesamten Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades auch die Einflüsse eines Querstabilisators berücksichtigt werden und somit eine exakte Berechnung der Radaufstandskraft auch bei einer Schiefstellung des Kraftfahrzeuges (z. B. in Kurvenfahrten) möglich ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass
  • - dem Kraftfahrzeugrad ein Dämpfer zugeordnet ist und aus dem Produkt des Dämpfungskoeffizienten und der Geschwindigkeit, die das Kraftfahr­ zeugrad relativ zum Fahrzeugaufbau hat, eine Dämpfungskraft berechnet wird und dass.
  • - die Dämpfungskraft zur Radaufstandskraft addiert wird.
Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass bei der Berechnung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades auch die von einem Dämpfer auf das Rad ausgeübte Kraft berücksichtigt wird. Bei einem Dämpfer mit verstellbarem Dämpfungskoeffizienten wird zur Berechnung der Dämpfungskraft der aktuell eingestellte Dämpfungskoeffizient verwendet, so wie es auch in Anspruch 5 beansprucht ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 wird die Ruhelage des Fahrzeugaufbaus im Bereich eines jeden Kraftfahrzeugrades und die stationäre Radaufstandskraft eines jeden Kraftfahrzeugrades, dem eine Luftfeder zugeordnet ist, unmittelbar nach dem Einschalten der Zündung und unmittelbar nach einem Regelvorgang an der dem Rad zugeordneten Luftfeder bestimmt.
Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass sich das Kraftfahrzeug unmittelbar nach dem Einschalten der Zündung bezüglich seiner vertikalen Bewegung in Ruhe befindet. Somit ist zu diesem Zeitpunkt auf einfache Art und Weise eine exakte Bestimmung der stationären Radaufstandskraft möglich. Die unmittelbar nach Einschalten der Zündung bestimmten Radaufstandskräfte werden in der Steuereinheit der Luftfederungsanlage gespeichert, so dass sie dort später für die Berechnung der gesamten Radaufstandskraft zur Verfügung stehen. Vorzugsweise wird eine Bestimmung der stationären Radaufstandskraft nach dem Einschalten der Zündung nur unterhalb eines vorgegebenen Geschwindigkeitsgrenzwertes vorgenommen. Eine Neuberechnung einer stationären Radaufstandskraft und der Ruhelage während der Fahrt des Kraftfahrzeuges ist nur dann notwendig, wenn an der diesem Rad zugeordneten Luftfeder ein Regelvorgang vorgenommen worden ist oder eine Abweichung von der Ruhelage auftritt, da sich in diesem Fall der Druck und die Höhenlage in dieser Luftfeder und somit auch die stationäre Radaufstandskraft an dem entsprechenden Rad geändert haben kann. Findet während der Fahrt an einer Luftfeder kein Regelvorgang statt und tritt keine stationäre Abweichung von der Ruhelage auf, wird die Radaufstandskraft des dieser Luftfeder zugeordneten Rades erst dann wieder neu berechnet, wenn die Zündung des Kraftfahrzeuges nach einem Abschalten erneut eingeschaltet wird. Ein weiterer Vorteil der Weiterbildung ist darin zu sehen, dass eine Berechnung der stationären Radaufstandskräfte und der stationären Ruhelage so selten wie möglich erfolgt, wodurch sich der Rechenaufwand reduziert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 wird eine Bestimmung der Ruhelage des Fahrzeugaufbaus im Bereich eines jeden Kraftfahrzeugrades und eine Bestimmung des Drucks in einer Luftfeder, mit dessen Hilfe die stationäre Radaufstandskraft berechnet wird, während einer Kurvenfahrt, einer Schiefstellung oder einer Verschränkung des Kraftfahrzeuges unterdrückt. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass eine Bestimmung des Drucks in einer Luftfeder nicht vorgenommen wird, wenn das Ergebnis der Bestimmung auf Grund der Fahrsituation des Kraftfahrzeuges verfälscht werden könnte. Eine Kurvenfahrt des Kraftfahrzeuges kann beispielsweise am Lenkeinschlag erkannt werden. Eine Schiefstellung oder eine Verschränkung des Kraftfahrzeuges kann anhand der Signale der Höhensensoren, die den Luftfedern des Kraftfahrzeuges zugeordnet sind, erkannt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 8
  • - ist jedem Rad des Kraftfahrzeuges eine Luftfeder zugeordnet
  • - wird für jedes Rad die stationäre Radaufstandskraft berechnet und
  • - wird aus der Summe der stationären Aufstandskräfte die Gewichtskraft des Kraftfahrzeuges bestimmt.
Die Weiterbildung des Anspruchs 6 ist auf ein Kraftfahrzeug gerichtet, das jedem Rad des Kraftfahrzeuges zugeordnet eine Luftfeder aufweist. Der Vorteil der Weiterbildung ist darin zu sehen, dass bei derartigen Kraftfahrzeugen die Gewichtskraft bzw. die Masse des Kraftfahrzeuges aus den stationären Radaufstandskräften auf einfache Art und Weise berechnet werden kann. Die berechnete Gewichtskraft kann beispielsweise als Eingangsgröße für ein Fahrstabilitätsprogramm verwendet werden. Ferner ist es möglich, den Fahrer des Kraftfahrzeuges zu warnen, wenn das zulässige Gesamtgewicht des Kraftfahrzeuges überschritten ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9
  • - wird aus der Summe der stationären Radaufstandskräfte der Räder mindestens einer Fahrzeugachse die zu dieser gehörige stationäre Achslast bestimmt
  • - für mindestens diese Fahrzeugachse wird die stationäre Achslastverteilung aus dem Quotienten der stationären Achslast zur Fahrzeuggewichtskraft berechnet.
Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass ein Überschreiten der zulässigen Achslasten, die für die Vorder- und die Hinterachse unterschiedlich sind, schnell erkannt werden und dem Fahrer gegebenenfalls ein Hinweis gegeben werden kann. Da die Vorderachse eines Kraftfahrzeuges in der Regel durch Zusatzgepäck nicht wesentlich belastet wird und die Achslast der Hinterachse separat bestimmbar ist, kann mit der Weiterbildung ein Überladen des Kraftfahrzeuges schnell und zuverlässig erkannt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10
  • - wird aus der Summe der Radaufstandskräfte der Räder mindestens einer Fahrzeugachse die zu dieser gehörige dynamische Achslast bestimmt und
  • - wird für mindestens diese Fahrzeugachse die dynamische Achslastverteilung aus dem Quotienten der dynamischen Achslast zur Fahrzeuggewichtskraft berechnet.
Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass sich die dynamische Achslastverteilung im Kraftfahrzeug auf einfache Art und Weise bestimmen lässt. Die so berechnete dynamische Achslastverteilung kann als Eingangsgröße für ein Fahrstabilitätsprogramm genutzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigt:
Fig. 1 eine Luftfederungsanlage in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine Luftfeder im Querschnitt,
Fig. 3 ein Diagramm.
Fig. 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Luftfederungsanlage für ein Kraftfahrzeug, wobei nur die für die nachfolgenden Erläuterungen notwendigen Bestandteile gezeigt sind. Die Luftfederungsanlage verfügt über Luftfedern 2a, 2b, die der Vorderachse des Kraftfahrzeuges zugeordnet sind, und über Luftfedern 2c, 2d, die der Hinterachse des Kraftfahrzeuges zugeordnet sind. Mit den Luftfedern 2a bis 2d ist ein (nicht gezeigter) Fahrzeugaufbau des Kraftfahrzeuges gegenüber den Achsen federnd gelagert. Die Luftfedern 2a, 2b stehen über eine Querleitung 4a und die Luftfedern 2c, 2d über eine Querleitung 4b mit einander in Verbindung. Jede Querleitung 4a, 4b enthält zwei Quersperrventile 6a, 6b und 6c, 6d, von denen jeweils eins einer Luftfeder 2a bis 2d zugeordnet ist. Darüber hinaus stehen die Querleitung 4a, 4b mit einer weiteren Leitung 8 in Verbindung, über die die Luftfedern 2a bis 2d mit Hilfe des Kompressors 12 mit Druckluft befüllt werden bzw. über die Druckluft aus den Luftfedern 2a bis 2d über das Ventil 14 in die Atmosphäre abgelassen wird. Dazu werden von der Steuereinheit 10 die Steuereingänge der entsprechenden Ventile 6a bis 6d, 14 und des Kompressors 12 angesteuert.
Über die bisher genannten Bestandteile hinaus verfügt die Luftfederungsanlage in der Leitung 8 über einen Drucksensor 24 und über Höhensensoren 16, 18, 20 und 22, von denen jeweils einer einer Luftfeder 2a bis 2d der Luftfederungsanlage zugeordnet ist. Mit dem Drucksensor 24 kann der Druck in den Luftfedern 2a bis 2d gemessen werden. Mit den Höhensensoren 16 bis 22 kann die aktuelle Höhenlage der Luftfedern 2a bis 2d bzw. die Höhenlage des Fahrzeugaufbaus gemessen werden. Wie dies im Einzelnen erfolgt, wird später erläutert.
Mit Hilfe der in der Fig. 1 dargestellten Luftfederungsanlage kann die stationäre Radaufstandskraft FSi an einem Kraftfahrzeugrad nach folgender Formel berechnet werden:
FSi = Pi × Ai; i = 2a, 2b, 2c, 2d (1)
hierin bedeuten Pi der Luftdruck in der Luftfeder i und Ai der wirksame Querschnitt in der Luftfeder i. Soll beispielsweise die stationäre Radaufstandskraft für das Kraftfahrzeugrad in der Position "vorne links" berechnet werden, wird in die Formel 1 das entsprechende Produkt für die Luftfeder 2a berechnet.
Die Berechnung der stationären Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades erfolgt unter Zugrundelegung der Ruhelage des Fahrzeugaufbaus im Bereich des Kraftfahrzeugrades, d. h. bei der Bestimmung der stationären Radaufstandskraft wird davon ausgegangen, dass sich der Fahrzeugaufbau im Bereich des Kraftfahrzeuges in Ruhe befindet. Wie die Ruhelage bestimmt wird, wird im Einzelnen später erläutert.
Der Luftdruck in jeder einzelnen Luftfeder 2a bis 2d wird zur Berechnung der stationären Radaufstandskraft vorzugsweise schrittweise für jede einzelne Luftfeder hintereinander gemessen. Anhand der Luftfeder 2a wird im Folgenden erläutert, wie dies im Stillstand des Kraftfahrzeuges geschieht (im Stillstand des Kraftfahrzeuges ist nahezu sichergestellt, dass sich der Fahrzeugaufbau tatsächlich im Bereich eines jeden Kraftfahrzeugrades in Ruhe befindet): Von der Steuereinheit 10 wird zunächst der Eingang des Quersperrventils 6a bestromt, so dass dieses von dem in der Fig. 1 gezeigten Grundzustand in seinen Schaltzustand übergeht. Die übrigen Ventile 6b bis 6d und das Ventil 14 bleiben in ihrem in der Fig. 1 gezeigten Grundzustand. Die Luftfeder 2a wird dann über die Querleitung 4a und die Leitung 8 mit dem Drucksensor 24 verbunden. Nach einer Zeit von 0,2 bis 1 Sekunde hat sich am Drucksensor 24 der in der Luftfeder 2a vorliegende Luftdruck eingestellt und wird danach über einen Zeitraum, der bevorzugt zwischen 1 und 5 Sekunden liegt, ständig gemessen. Der Drucksensor 24 bildet aus den Messwerten einen Mittelwert und überträgt diesen an die Steuereinheit 10. In der Steuereinheit 10 wird der gemessene Druckmittelwert der Luftfeder 2a zugeordnet und gespeichert (die Steuereinheit 10 "weiß", dass der übertragene Druckmittelwert zur Luftfeder 2a gehört, weil sie zur Druckmessung das zu dieser gehörige Quersperrventil 6a angesteuert hat). Nach erfolgter Druckmessung wird der Steuereingang des Quersperrventils 6a von der Steuereinheit 10 nicht mehr bestromt, so dass dieses wieder in seinen Grundzustand übergeht.
Der Luftdruck kann in den Luftfedern 2b bis 2d an sich auf die gleiche Art und Weise gemessen werden. Von der Steuereinheit 10 ist dann lediglich das entsprechende Quersperrventil 6b bis 6d anzusteuern.
Der Luftdruck kann so - wie oben erläutert - auch während der Fahrt des Fahrzeuges gemessen werden. Die Ventilöffnungszeit des entsprechenden Quersperrventils wird dann lediglich auf eine Dauer von ca. 2 bis 10 Sekunden verlängert, so dass der entsprechende Druckwert in einer Luftfeder 2a bis 2d über einen längeren Zeitraum am Drucksensor 24 anliegt und somit eine Mittelwertbildung über einen langen Zeitraum möglich ist. Während der Fahrt in der Luftfeder 2a bis 2d auftretende Druckschwankungen, die auf eine Schwankung des Fahrzeugaufbaus um seine Ruhelage zurückzuführen sind, werden somit bei der Mittelwertbildung herausgefiltert. Somit kann durch die Mittelwertbildung auch während der Fahrt des Fahrzeuges der Druck in der Luftfeder 2a bis 2d gemessen werden, der in der Ruhelage des Fahrzeugaufbaus in dieser Luft vorliegt, obwohl sich der Fahrzeugaufbau tatsächlich nicht in Ruhe befindet.
Bei der Berechnung der stationären Radaufstandskraft kann für die wirksame Querschnittsfläche der Luftfeder ein konstanter Wert eingesetzt werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn diese nicht oder nur in geringem Maße von der aktuellen Höhe der Luftfeder 2a bis 2d abhängig ist. In den meisten Fällen ist die wirksame Querschnittsfläche der Luftfedern 2a bis 2d jedoch eine Funktion von ihrer aktuellen Höhenlage. Bevorzugt wird diese deshalb mit Hilfe der Höhensensoren 16 bis 22 bestimmt und einer Tabelle oder eine Kennlinie (siehe Fig. 3) wird die zu der aktuellen Höhentage gehörige wirksame Querschnittsfläche der Luftfeder 2 bis 2d entnommen. Bei der Bestimmung der stationären Radaufstandskraft ist für die Bestimmung der Querschnittsfläche die Ruhelage der entsprechenden Luftfeder 2a bis 2d maßgebend, d. h. die Höhenlage der Luftfeder, die eingenommen wird, wenn sich der Fahrzeugaufbau und die Räder des Fahrzeuges im Bereich der Luftfeder in vertikaler Richtung in Ruhe befindet.
Wenn während der Bestimmung der Ruhelage einer Luftfeder (die gleichbedeutend und mit der Ruhelage des Fahrzeugaufbaus im Bereich dieser Luftfeder ist) keine Änderung der aktuellen Höhenlage erfolgt, wie es z. B. im Stillstand des Kraftfahrzeuges meistens der Fall ist, kann die Ruhelage der Luftfedern 2a bis 2d direkt aus dem Signal der Höhensensoren 16 bis 22 bestimmt und in Verbindung mit der entsprechenden Luftfeder 2a bis 2d in der Steuereinheit gespeichert werden. Soll die Ruhelage der Luftfedern 2a bis 2d bestimmt werden, wenn sich die aktuelle Höhenlage der Luftfedern 2a bis 2d, z. B. auf Grund einer Schwingung des Fahrzeugaufbaus oder der Räder, ständig ändert, so wird in der Steuereinheit 10 das entsprechende Signal der Höhensensoren 16 bis 22 über einen längeren Zeitraum gemittelt. In diesem Fall werden die Schwankungen um die Ruhelage der Luftfedern 2a bis 2d herausgefiltert. Der Zeitraum, über den gemittelt wird, beträgt vorzugsweise 15- 150 Sekunden.
Aus den stationären Radaufstandskräften FSi; i = 2a bis 2d kann die Fahrzeugsgewichtskraft FG des Kraftfahrzeuges wie folgt berechnet werden:
FG = FS2a + FS2b + FS2c + FS2d (2)
Die stationären Achslasten ALVS, ALHS an der Vorderachse und an der Hinterachse können wie folgt berechnet werden:
ALVS = FS2a + FS2b (3)
ALHS = FS2c + FS2d. (4)
Die stationäre Achslastverteilung ALVT kann gemäß der folgenden Formel berechnet werden:
ALVT = ALVS/FG (5)
Dieser Wert liegt immer zwischen 0 und 1. Ergibt sich beispielsweise ein Wert von 0,6, so bedeutet dies, dass 60% der gesamten Fahrzeugmasse auf der Vorderachse ruhen und dementsprechend 40% auf der Hinterachse.
Die - wie oben erläutert - berechneten Größen für die Ruhelage der Luftfedern 2a bis 2d, die stationären Radaufstandskräfte, die Achslasten und die Fahrzeuggewichtskraft werden in der Steuereinheit 10 gespeichert und stehen dort für weitere Berechnungen zur Verfügung.
Mit Hilfe der in der Fig. 1 gezeigten Luftfederungsanlage können auch die dynamischen Radaufstandskräfte an den Kraftfahrzeugrädern nach folgender Formel berechnet werden:
FDi = kl × (hi(t) - hi,Ruhe); i = 2a, 2b, 2c, 2d (6)
Hierin bedeuten FDi die dynamische Radaufstandskraft am Rad i, ki die Federsteifigkeit der entsprechenden Luftfeder i, hi(t) die aktuelle Höhenlage der Luftfeder i und hi,Ruhe die Ruhelage der Luftfeder i. Die in den Klammern stehende Differenz in der Formel 6 gibt also die Auslenkung der Luftfeder i aus ihrer Ruhelage wieder. Die aktuelle Höhelage hi(t) wird bestimmt, indem von der Steuereinheit 10 für die Luftfeder i zu der Zeit t die von dem entsprechenden Höhesensor 16 bis 22 angezeigte aktuelle Höhenlage der Luftfeder i berücksichtigt wird. Die Ruhelage hi,Ruhe wird in der Steuereinheit 10 so bestimmt, wie es bereits zuvor erläutert worden ist. Ist bereits eine entsprechende Ruhelage in der Steuereinheit 10 gespeichert, so kann auf diese zurückgegriffen werden und eine Neubestimmung der Ruhelage der Luftfeder i ist nicht notwendig.
Für die Federsteifigkeit ki der Luftfeder i kann ein konstanter Wert zu Grunde gelegt werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn sie nicht oder über geringem Maße von der aktuellen Höhenlage der Luftfeder i abhängig ist. Bevorzugt wird jedoch die Höhenabhängigkeit der Federsteifigkeit ki berücksichtigt. In diesem Fall ist in der Steuereinheit 10 eine Tabelle oder eine Kennlinie (siehe Fig. 3) gespeichert, aus der die Federsteifigkeit für die aktuelle Höhe hi(t) bestimmt werden kann.
Mit Hilfe der in der Fig. 1 gezeigten Luftfederungsanlage kann auch der Einfluss eines an der Vorderachse vorhandenen Querstabilisators berücksichtigt werden. Die von einem Querstabilisator an der Vorderachse ausgeübte Kraft berechnet sich nach folgender Formel:
FStab,V = kV × ((h2b(t) - h2b,Ruhe) - (h2a(t) - h2a,Ruhe)) (7)
Hierin bedeuten FStab die Kraft des Querstabilisators, kV die Federsteifigkeit des Querstabilisators, h2b(t) die aktuelle Höhenlage und h2b,Ruhe die Ruhelage der Luftfeder 2b und h2a(t) die aktuelle Höhenlage und h2a,Ruhe die Höhenlage der Luftfeder 2a. Die in der Formel 7 in der Klammer angegebene Differenz gibt also die Querneigung des Kraftfahrzeuges an der Vorderachse wieder.
Die durch einen Querstabilisator an der Hinterachse des Kraftfahrzeuges erzeugte Kraft wird entsprechend gemäß der folgenden Formel berechnet:
FStab, H = kh × ((h2c(t) - h2c,Ruhe) - (h2a(t) - h2a,Ruhe)) (8)
Will man bei der Berechnung der dynamischen Radaufstandskräfte den Einfluss der Querstabilisatoren berücksichtigen, so sind diese nach den folgenden Formeln zu berechnen:
FD2a,gesamt = FD2a + FStab,V (9)
FD2b,gesamt = FD2b - FStab,V (10)
FD2c,gesamt = FD2c - FStab,H (11)
FD2d,gesamt = FD2d + FStab,H (12)
Aus den berechneten Größen ergibt sich die gesamt Radaufstandskraft Fi,gesamt am Kraftfahrzeugrad i. zu:
Fl,gesamt = FSi + FDi,gesamt; i = 2a, 2b, 2c, 2d. (13)
Fi,gesamt am Kraftfahrzeugrad i.
Mit den oben genannten Größen kann die dynamische Achslast an der Vorder- und an der Hinterachse nach folgenden Formeln berechnet werden:
ALVDAchslast, = F2a,gesamt + F2b,gesamt (14)
ALHDAchslast, = F2c,gesamt + F2d,gesamt (15)
Im Folgenden wird erläutert, wie mit Hilfe der in der Fig. 1 gezeigten Luftfederungsanlage der Einfluss eines Dämpfers, von denen jeweils einer den Luftfedern 2a bis 2d zugeordnet ist, berücksichtigt werden kann. Die von einem Dämpfer ausgeübte Kraft berechnet sich nach folgender Formel:
FDämpf,i = KDämpf,i × vi; i = 2a, 2b, 2c, 2d (16)
Hierin bedeuten FDämpf,i die Kraft des Dämpfers am Rad i, KDämpf,i der Dämpfungskoeffizient des Dämpfers am Rad i, vi die Geschwindigkeit, die das Kraftfahrzeugrad i relativ zum Fahrzeugaufbau hat. Die Geschwindigkeit vi kann für jedes Rad i nach der folgenden Formel berechnet werden:
vi = (Hi(t) - Hi(t - δt))/δt; i = 2a, 2b, 2c, 2d (17)
Hierin bedeutet Hi(t) die aktuelle Höhenlage der Luftfeder zum Zeitpunkt t und Hi (t - δt) die aktuelle Höhenlage der Luftfeder i zum Zeitpunkt t - δt.
Wenn bei der Berechnung der gesamten Radaufstandskraft die durch die Dämpfer erzeugten Kräfte berücksichtigt werden sollen, sind die Dämpfungskräfte gemäß der Formel 16 zu den gesamten Radaufstandskräften Fi,gesamt gemäß der Formel 13 hinzuzuaddieren.
Bei der Berechnung der Dämpfungskraft kann für den Dämpfungskoeffizienten KDämpf,i ein konstanter Wert zu Grunde gelegt werden. Wenn in dem Kraftfahrzeug jedoch Dämpfer mit verstellbaren Dämpfungskoeffizienten verwendet werden, wird bei der Berechnung der Dämpfungskraft bevorzugt der aktuell von der Regelelektronik des Dämpfers eingestellte Dämpfungskoeffizient berücksichtigt.
Die zur Bestimmung der oben erwähnten Radaufstandskräfte notwendigen Druckwerte und Höhenwerte werden mittels des Drucksensors 24 bzw. mittels der Höhensensoren 16 bis 22 nur vorgenommen, wenn die Steuereinheit 10 registriert, dass die Zündung des Fahrzeuges eingeschaltet ist und die Türen sowie der Kofferraum geschlossen sind. In diesem Fall verändert sich die Masse des Kraftfahrzeuges, die die Radaufstandskräfte beeinflusst, nicht mehr wesentlich. Darüber hinaus findet eine Aktivierung der Druckmessung durch die Steuereinheit 10 nur dann statt, wenn die Höhenabweichung an jeder Luftfeder 2a bis 2d in einem Toleranzbereichen zu einer für die entsprechende Luftfeder vorgegebenen Solllage liegt. Nach dem Regelvorgang an einer Achse des Kraftfahrzeuges wird von der Steuereinheit 10 der Druck in den Luftfedern 2a bis 2d, die der Achse zugeordnet sind, erneut gemessen, weil sich dieser auf Grund des Regelvorganges verändert haben kann.
Eine Druckmessung wird von der Steuereinheit 10 nicht während einer Kurvenfahrt des Fahrzeuges vorgenommen, weil sich durch Einflüsse der Querstabilisatoren auf die Luftfedern 2a bis 2d das Ergebnis verfälschen könnte. Darüber hinaus wird eine Druckmessung von der Steuereinheit 10 nicht während eines Niveauregelvorganges vorgenommen, damit dieser in einer möglichst kurzen Zeit abgeschlossen werden kann.
Die Fig. 2 zeigt eine Luftfeder 2a bis 2d im Querschnitt. Der Balg 26 der Luftfeder 2a bis 2d rollt auf einem Abrollkolben 28 ab. Dabei bildet sich am Abrollkolben 28 eine Abrollfalte 30 ab. An der Stelle, an der die Tangenten 32 an den Balg 26 der Luftfeder senkrecht zur Federkraft bzw. Tragkraft F verlaufen, liegt der äußere Begrenzungskreis der wirksamen Querschnittsfläche A.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die wirksame Querschnittsfläche A und die Federsteifigkeit k einer Luftfeder 2a bis 2d über der Höhe h aufgetragen sind. Dem Diagramm ist eine Kennlinie 34 zu entnehmen, die die Abhängigkeit der wirksamen Querschnittsfläche A von der Höhe h wiedergibt. Darüber hinaus ist dem Diagramm eine Kennlinie 36 zu entnehmen, die die Abhängigkeit der Federsteifigkeit k einer Luftfeder von der Höhe wiedergibt. In der Steuereinheit 10 ist für alle Luftfedern 2a bis 2d, die eine unterschiedliche Abhängigkeit zeigen, ein entsprechendes Diagramm gespeichert, so dass die Steuereinheit zur Berechnung der Radaufstandskrtäfte bei Kenntnis der aktuellen Höhenlage h der Luftfeder den aktuellen Wert für die Querschnittsfläche A und für die Federsteifigkeit k bestimmen kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades, dem eine Luftfeder (2a-2d) zugeordnet ist, mit der der Fahrzeugaufbau gegenüber dem Kraftfahrzeugrad abgefedert ist, in folgenden Verfahrensschritten:
  • - es wird eine stationäre Radaufstandskraft aus dem Produkt der wirksamen Querschnittsfläche der Luftfeder (2a-2d) und dem Druck in der Luftfeder (2a-2d) berechnet
  • - es wird eine dynamische Radaufstandskraft aus dem Produkt der Federsteifigkeit der Luftfeder (2a-2d) und der Auslenkung der Luftfeder (2a-2d) aus ihrer Ruhelage berechnet
  • - es wird zur Bestimmung der Radaufstandskraft die stationäre Radaufstandskraft und die dynamische Radaufstandskraft addiert.
2. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der stationären Radaufstandskraft die Höhenabhängigkeit der wirksamen Querschnittsfläche und bei der Berechnung der dynamischen Radaufstandskraft die Höhenabhängigkeit der Federsteifigkeit der Luftfeder (2a-2d) berücksichtigt wird.
3. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Fahrzeugaufbau gegenüber mindestens einer Fahrzeugachse, die einen Querstabilisator enthält, mit Luftfedern (2a-2d) abgefedert ist, und dass
aus dem Produkt der Federsteifigkeit des Querstabilisators und der Differenz der Auslenkungen der Luftfedern (2a-2d) aus ihrer Ruhelage eine Ausgleichskraft berechnet wird und dass
zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Rades der Fahrzeugachse die stationäre Radaufstandskraft und die dynamische Radaufstandskraft und vorzeichenberichtigt die Ausgleichskraft addiert werden.
4. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandkraft eines Kraftfahrzeugrades nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
dem Kraftfahrzeugrad ein Dämpfer zugeordnet ist und aus dem Produkt des Dämpfungskoeffizienten und der Geschwindigkeit, die das Kraftfahrzeugrad relativ zum Fahrzeugaufbau hat, eine Dämpfungskraft berechnet wird und dass
die Dämpfungskraft zur Radaufstandskraft addiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Dämpfer mit verstellbarem Dämpfungskoeffizienten der aktuell eingestellte Dämpfungskoeffizient zur Berechnung der Dämpfungskraft verwendet wird.
6. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhelage des Fahrzeugaufbaus im Bereich eines jeden Kraftfahrzeugrades und stationäre Radaufstandskraft eines jeden Kraftfahrzeugrades, dem eine Luftfeder (2a-2d) zugeordnet ist, unmittelbar nach Einschalten der Zündung und unmittelbar nach einem Regelvorgang an der dem Rad zugeordneten Luftfeder bestimmt wird.
7. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Ruhelage des Fahrzeugaufbaus im Bereich eines Kraftfahrzeugrades und eine Bestimmung des Drucks in einer Luftfeder (2a-­ 2d), mit dessen Hilfe die stationäre Radaufstandskraft berechnet wird, während einer Kurvenfahrt, einer Schiefstellung oder einer Verschränkung des Kraftfahrzeuges unterdrückt wird.
8. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
jedem Rad des Kraftfahrzeuges eine Luftfeder (2a-2d) zugeordnet ist und dass
für jedes Rad die stationäre Radaufstandskraft berechnet wird und dass
aus der Summe der stationären Radaufstandskräfte die Gewichtskraft des Kraftfahrzeuges bestimmt wird.
9. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
aus der Summe der stationären Radaufstandskräfte der Räder mindestens einer Fahrzeugachse die zu dieser gehörige stationäre Achslast bestimmt wird und dass
für mindestens diese Fahrzeugachse die stationäre Achslastverteilung aus dem Quotienten der stationären Achslast zur Fahrzeuggewichtskraft berechnet wird.
10. Verfahren zur Bestimmung der Radaufstandskraft eines Kraftfahrzeugrades nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
aus der Summe der Radaufstandskräfte der Räder mindestens einer Fahrzeugachse die zu dieser gehörige dynamische Achslast bestimmt wird und dass
für mindestens diese Fahrzeugachse die dynamische Achslastverteilung aus dem Quotienten der dynamischen Achslast zur Fahrzeuggewichtskraft berechnet wird.
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