6 Fahrsicherheitssysteme

Transkript

1 6 Fahrsicherheitssysteme 6.1 Gliederung von Fahrsicherheitssystemen 6.2 Radschlupf-Regelsysteme 6.3 Fahrdynamik-Regelung

2 6.1 Gliederung von Fahrsicherheits- Systemen Aktive Sicherheitssysteme Antiblockiersysteme Antriebsschlupfregelungen Fahrdynamikregelungen Fahrerassistenzsysteme Passive Sicherheitssysteme Sicherheitsfahrgastzelle Airbags Sicherheitsgurte Gurtstraffer

3 6.2 Radschlupf-Regelsysteme Regelsysteme

4 Aufgabe eines Radschlupf-Regelsystems Regelsystems Die Lenkbarkeit des Fahrzeugs soll bei allen Fahrbahnbeschaffenheiten sichergestellt sein. Die Haftreibungszahl zwischen den Rädern und der Fahrbahn soll maximal ausgenutzt werden, wobei Lenkbarkeit und Fahrstabilität Vorrang haben.

5 Längs- und Seitenkraftübertragung eines Reifens und ABS-Regelbereiche Quelle: Bosch

6 ABS-Regelkreis Quelle: Bosch

7 Dynamik des gebremsten Rades Bremskraft F B µ G µ = Reibwert Fahrbahn-Reifen F Bv ϕ& & v M Bv G v F T l l h h F Bh ϕ& & h G h M Bh rdyn Fahrbahnreibmoment MR = FB rdyn = dynamischer Rollradius Jr MB M B MR = Jr ϕ& = Bremsmoment = Massenträgheitsmoment des Rades ϕ& & = Winkelverzögerung des Rades Radumfangsverzögerung a = ϕ& r dyn

8 Übungsaufgabe Die dynamischen Verhältnisse eines Rades während eines Bremsvorganges sollen untersucht werden. Vereinfacht soll von einem Fahrzeug mit gleicher Radlast an jedem Rad ausgegangen werden. Als weitere Vereinfachung soll die dynamische Radlaständerung beim Bremsen vernachlässigt werden. a) Bestimmen Sie die Radumfangsverzögerung bei sehr hohen Reibwerten zwischen Fahrbahn und Reifen unter der Annahme, dass kein Schlupf auftritt. b) Das Fahrzeug erreicht nun einen Fahrbahnabschnitt mit Glatteis und der Reibwert sinkt schlagartig auf µ = 0,1. Welche Radumfangsbeschleunigung ergibt sich, wenn das Bremsmoment konstant gehalten wird? c) Zu Beginn des Fahrbahnabschnittes mit Glatteis beträgt die Radumfangsgeschwindigkeit 80 km/h. Wie lange dauert es, bis das Rad blockiert? Fahrzeugdaten: reduzierte Fahrzeugmasse einschließlich Zuladung m F,red = 1450 kg Bremsmoment an jedem Rad M B = 1000 Nm Dynamischer Rollradius r dyn = 0,315 m Massenträgheitsmoment eines Rades J r = 1,0 kg m 2

9 Regelgrößen von Radschlupf- Regelsystemen Grundlage von Radschlupf-Regelsystemen sind die Signale der Raddrehzahlsensoren. Da der Schlupf nicht direkt gemessen werden kann, wird im Steuergerät eine ihm ähnliche Größe berechnet, und zusätzlich werden weitere Regelgrößen verwendet. Die Radumfangsbeschleunigung bzw. verzögerung ist eine wichtige Regelgröße, aber aufgrund veränderlicher Massenträgheiten an den angetriebenen Rädern alleine nicht aussagekräftig genug. Da bei Schlupf an den Rädern die Fahrzeuggeschwindigkeit nicht gemessen werden kann, wird eine Referenzgeschwindigkeit berechnet.

10 Raddrehzahlsensoren Quelle: Bosch

11 Vereinfachter Bremsvorgang Quelle: Bosch

12 Bestimmung der Referenzgeschwindigkeit Die Referenzgeschwindigkeit bei Teilbremsungen bestimmt das schneller laufende Rad einer Diagonalen (z.b. rechtes Vorderrad und linkes Hinterrad). Während einer ABS-Regelung bestimmt das Steuergerät die Referenzgeschwindigkeit aus der Fahrzeuggeschwindigkeit bei Regelbeginn und lässt diese rampenförmig abnehmen. Die Steilheit der Rampe wird durch weitere logische Verknüpfungen im Steuergerät berechnet.

13 Beispiel für einen ABS-Regelzyklus Quelle: Bosch

14 ABS-Hydraulik Quelle: Bosch

15 6.3 Fahrdynamikregelung Eine Fahrdynamikregelung soll kritische Fahrzustände (z.b. Schleudern) erkennen und das Fahrzeug dann wieder stabilisieren. Die Eingriffe einer Fahrdynamikregelung erfolgen durch Schlupfregelung an den einzelnen Rädern mit Hilfe von Bremsen- und Motoreingriffen. Im normalen Fahrbetrieb greift die Fahrdynamikregelung nicht ein.

16 Einspur-Fahrzeugmodell m a q = m v S 2 R v S = m ν R R m a q = m v S (ψ β) <= µ m g 0 ν y δ α v v v Für stationäre Kreisfahrt (β = 0) ergibt sich: ψ = a q v S Für l << R gilt: R ψ l v ψ v S β ν v S α v = δ + β l v ψ α h = β + l h ψ v S v S ψ l h α h v S v h x

17 Regelungskonzept Stellglieder: Bremshydraulik Motorsteuerung Regelstrecke: Fahrzeug Messdatenerfassung: Raddrehzahlen Lenkwinkel δ Querbeschleunigung a y Gierrate ψ ψ - ψ soll Sollwertbestimmung: Fahrzeugregler ψ soll = a y v x β soll β soll = f(δ, v x ) β - Schwimmwinkel β Zustandsbeobachter

18 Übungsaufgabe Gegeben ist eine Auswahl von Messwerten eines Fahrzeugs mit Fahrdynamikregelung. Stellen Sie anhand der gegeben Werte fest, ob ein Eingriff der Fahrdynamikregelung erforderlich ist. Bestimmen Sie die Soll-Winkelgeschwindigkeit und den Soll-Schwimmwinkel. Daten: Fahrzeuggeschwindigkeit v = 80 km/h Querbeschleunigung a q = 2 m/s 2 Gierwinkelgeschwindigkeit ψ& = 0,15 rad/s Fahrzeugmasse m F = 1340 kg Schwerpunktabstand vorne l v = 1,25 m Schwerpunktabstand hinten l h = 1,35 m Schräglaufsteifigkeit an der Vorderachse c αv = N/rad Schräglaufsteifigkeit an der Hinterachse c αh = N/rad

19 Komponenten einer Fahrdynamikregelung (Bosch ESP 8) Drehzahlfühler Hydraulikmodul mit Drucksensor und Anbausteuergerät Lenkradwinkelsensor Kraftfahrzeugtechnik Drehratensensor mit integriertem Beschleunigungssensor 6 Fahrsicherheitssysteme Herzog

20 Funktionsprinzip Drehratensensor v 1 = R 1 ψ rotierende Scheibe v 2 = R 2 ψ v 2 Coriolisbeschleunigung: v 1 v R m R 2 a c = 2 ψ v R R 1 ψ

21 Drehratensensor (Bosch)

22 Längs- und Querkraftverhalten eines Reifens in Abhängigkeit vom Schlupf Kammscher Kreis Querkraft F = Reifenkraft s = Längsschlupf F(s = 0) F(s) F(s = 100%) Längskraft

23 Giermomentänderung durch Längsschlupfänderung Längsschlupf = 0 Längsschlupf > 0 F F h M Z M Z h Schwerpunkt Schwerpunkt

24 Zusammenfassung Hauptaufgabe einer Fahrdynamikregelung ist die Begrenzung des Schwimmwinkels. Der Schwimmwinkel wird mit Hilfe eines Zustandsbeobachters (Einspurmodell) geschätzt. Die Querbeschleunigung wird durch den Reibwert begrenzt. Aus Querbeschleunigung und Fahrzeuggeschwindigkeit ergibt sich die Sollgierrate. Der Reglereingriff erfolgt durch Giermomentänderung. Diese wird durch Schlupfveränderung an den einzelnen Rädern erzeugt. Hierbei kann nicht die Größe der Reifenkräfte sondern nur deren Richtung beeinflusst werden.