DE102004007549B4

DE102004007549B4 - Verfahren zum Betrieb eines aktiven Fahrwerksystems

Info

Publication number: DE102004007549B4
Application number: DE102004007549.2A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Ammon Dieter; Dipl.-Ing. Rau Magnus; Dipl.-Ing. Suissa Avshalom
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2016-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: WO2005080102A1; US8116941B2; DE102004007549A1; US20080275607A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines aktiven Fahrwerksystems für ein Kraftfahrzeug, – bei dem Abstützaggregate (6) zwischen Rädern (1–4) und Aufbau (5) angeordnet werden und – bei dem die Abstützkräfte der Abstützaggregate (6) durch einen Rechner eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abstützaggregate (6) als Federbeine, mit einer veränderbaren Vorspannung einer Schraubenfeder und/oder Luftfeder oder als hydropneumatische Federbeine ausgeführt werden, – die Räder (1–4) mindestens einer Achse mit einem Vorspurwinkel angeordnet werden und die – Radaufstandskräfte (F11–F14) der Räder (1–4) dieser Achse durch Ansteuerung der Abstützaggregate (6) unterschiedliche Werte annehmen und dadurch an der Achse eine Seitenkraft (FresV, FresH) erzeugt und ein resultierendes Giermoment (Mz) aufgebaut wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines aktiven Fahrwerksystems.
Aus der Patentschrift DE 38 44 803 C1 ist ein aktives Fahrwerksystem bekannt, über dessen Abstützaggregate eine gezielte Änderung der Abstützkräfte eingestellt werden kann. Beim Auftreten von Abweichungen der Wank- und Nickwinkel zu den jeweiligen Sollwerten werden Änderungen der Abstützkräfte und damit verbundene Radaufstandskräfte aktiv verändert. Weiter besteht mit Hilfe der Abstützaggregate die Möglichkeit, Radbewegungen, welche die Bodenhaftung der Räder beeinträchtigen, selektiv an einzelnen Radaufhängungen entgegen zu wirken.
Aus der WO 00/38939 A1 ist eine Radaufhängungsanordnung für Fahrzeuge bekannt, wobei die Radaufhängungsanordnung einen Spurstangenhebel mit einem verschiebbaren Gestänge aufweist und wobei durch die Verschiebung des Gestänges Seitenkräfte an den Rädern des Fahrzeugs generiert werden, um hierdurch eine Lenkwirkung zu erzielen.
Aus der DE 4020547 A1 ist eine Vorrichtung zur aktiven Verstellung eines Kraftfahrzeugrads bekannt, bei der eine Lenkwirkung mittels einer Spurstange erzielt wird, welche an einem Radträger angreift und über ein Stellglied in Abhängigkeit von Fahrparametern verschiebbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, über die aktive Änderung der Radaufstandskräfte einen Geradeauslauf des Fahrzeuges zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Räder mindestens einer Achse mit einem Vorspurwinkel angeordnet werden und die Radaufstandskräfte der Räder dieser Achse durch Ansteuerung der Abstützaggregate unterschiedliche Werte annehmen und dadurch an der Achse eine Seitenkraft erzeugt und ein resultierendes Giermoment aufgebaut wird. Ein aktives Fahrwerksystem erlaubt die Radaufstandskräfte individuell einzustellen. In Verbindung mit fest vorgegebenen Vorspurwinkel wirkt an den Rädern bei Geradeausfahrt eine Seitenkraft, dessen Höhe von der jeweiligen Radaufstandskraft abhängt. Bei gleich großen Radaufstandskräften am linken und rechten Rad einer Achse sind die Seitenkräfte gegeneinander gerichtet und gleich groß, so dass sich diese gegenseitig aufheben. Mit der Einstellung von ungleichen Aufstandskräften an den Rädern einer Achse stellen sich an den Rädern auch ungleiche Seitenkräfte ein, so dass an der Achse eine resultierende Seitenkraft angreift, wodurch ein am Schwerpunkt des Fahrzeuges angreifendes Giermoment aufgebaut wird. In vorteilhafter Weise kann über dieses Verfahren Einfluss auf die Fahrtrichtung des Fahrzeuges genommen werden, ohne dass ein Lenk- oder Bremseingriff erforderlich ist. Diese Fahrtrichtungskorrektur durch Veränderung der Aufstandkräfte ist bei Geradeausfahrt als auch bei Kurvenfahrten anwendbar.
Die Abstützaggregate werden als Federbeine, mit einer veränderbaren Vorspannung einer Schraubenfeder und/oder Luftfeder ausgeführt. Das Fahrwerksystem weist beispielsweise Abstützaggregate, bei denen eine Vorspannung einer Feder verändert wird, auf. Über die Variation der Federvorspannung sind die Radaufstandskräfte einstellbar.
Alternativ werden die Abstützaggregate als hydropneumatisches Federbeine ausgeführt. Ein hydropneumatisches Federbein weist einen Hydraulikzylinder, der mit einem Hydrospeicher und einer Pumpe verbunden ist, auf. Zur Erhöhung der Radaufstandskraft wird Öl in den Hydraulikzylinder gefördert, eine Verminderung der Aufstandskraft erfolgt durch Ablassen von Hydrauliköl in einen Tank.
In Ausgestaltung der Erfindung werden bei dem Verfahren die Radaufstandskräfte der Räder verschiedener Achsen, die jeweils einen Vorspurwinkel aufweisen, so eingestellt, dass durch die an den Achsen erzeugten Seitenkräfte ein gleichsinniges Giermoment aufgebaut wird. Bevorzugt werden die Radaufstandskräfte so eingestellt, dass an allen Achsen Seitenkräfte aufgebaut werden, die zum Aufbau eines Giermomentes beitragen. Beispielsweise bei einem zweiachsigen Fahrzeug wird bezogen auf die Fahrtrichtung an der Vorderachse eine nach rechts gerichtete und an der Hinterachse eine nach links gerichtete resultierende Seitenkraft aufgebaut. Über diese Einstellung der Radaufstandskräfte wird ein Giermoment zur wirkungsvollen Beeinflussung der Fahrtrichtung des Fahrzeuges erzeugt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Höhe des Giermomentes in Abhängigkeit eines Seitenwindes eingestellt. Fahrtrichtungsabweichungen des Fahrzeuges infolge Seitenwind werden über einen Gierratensensor und/oder einen Seitenwindsensor erkannt. Um einen Spurversatz des Fahrzeuges zu vermeiden, wird der Fahrtrichtungsabweichung ein über Veränderung der Radaufstandskräfte erzeugtes, korrigierendes Giermoment entgegengesetzt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Höhe des Giermomentes in Abhängigkeit einer Fahrbahnquerneigung eingestellt. Eine Querneigung der Fahrbahn hat zur Folge, dass das Fahrzeug von der über ein Lenkrad eingestellte Fahrtrichtung abweicht. Über einen Neigungssensor und/oder einen Gierratensensor ist dieser Einfluss erkennbar, so dass der Abweichung durch Veränderung der Radaufstandskräfte entgegengewirkt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Vorspurwinkel und der damit verbundene Schräglaufwinkel α an einer Vorderachse und/oder an einer Hinterachse nach Bedarf über ein Verstellelement verändert. Die Höhe des durch Änderung der Radaufstandkräfte erzeugbaren Giermomentes ist von den eingestellten Vorspurwinkeln abhängig. Da ein dauerhaft eingestellter großer Vorspurwinkel einen hohen Reifenverschleiß und Kraftstoffverbrauch verursacht, wird ein Verstellelement vorgesehen, das den Vorspurwinkel nur bei Bedarf vergrößert. Dieses Verstellelement ist beispielsweise in Spurstangen der Vorder- und/oder Hinterachse angeordnet. Damit wird in vorteilhafter Weise die Höhe des zur Fahrtrichtungskorrektur erforderlichen Giermoments erhöht.
Weitere Vorteile und Vorteilskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 Darstellung eines Fahrzeugmodells mit einem aktiv ansteuerbaren Feder-Dämpfersystem,
2 eine Fahrzeugdraufsicht mit Darstellung von Seitenkräften und
3 qualitative Darstellung des Zusammenhangs zwischen Seitenkraft und Schräglaufwinkel bei vorgegebener Radaufstandskraft.
Gleiche Bauteile und physikalischen Größen sind in den 1–3 gleich bezeichnet.
In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug gezeigt, das über ein aktives Fahrwerksystem verfügt. Die Verbindung zwischen den Rädern 1, 2, 3, 4 zum Fahrzeugaufbau 5 ist jeweils über ein aktiv ansteuerbares Abstützaggregat 6, das als Feder-Dämpfersystem ausgeführt ist, hergestellt. Das Feder-Dämpfersystem 6 weist eine Feder 8, die beispielsweise als Stahl- oder Luftfeder ausgeführt ist, einen Dämpfer 7 und ein hydraulisch ansteuerbares Stellelement 9 auf. Das Feder-Dämpfersystem 6 ist zwischen Fahrzeugaufbau 5 und einem gegenüber dem Aufbau 5 beweglichen Teil wie beispielsweise einem Radträger oder einem Lenker angeordnet. Der Dämpfer 7 ist einer Hintereinanderschaltung von Feder 8 und Stellelement 9 parallel geschaltet. Über eine Ansteuerung des Stellelements 9 ist die Kraft der Feder 8 veränderbar. Als hydraulische Druckquelle dient eine nicht dargestellte, vom Fahrzeugmotor angetriebene Pumpe. Die Druckansteuerung der Stellelemente 9 erfolgt über eine Ventileinheit, die wiederum mit einem Steuergerät verbunden ist. Des weiteren ist das Steuergerät mit Weggebern verbunden, welche die jeweilige Hubstellung der Räder 1, 2, 3, 4 zum Fahrzeugaufbau 5 wiedergeben.
Aufgrund der Schwerkraft S des Fahrzeugaufbaus wirkt an jedem Rad 1, 2, 3, 4 eine Radaufstandkraft F_{11_0}, F_{12_0}, F_{13_0}, F_{14_0}. Die Radaufstandkräfte F_{11_0}–F_{14_0} werden durch Ansteuerung der Stellelement 9 auf einen Wert F₁₁–F₁₄ vergrößert oder verkleinert.
Die Räder 1–4 des in 2 dargestellten Fahrzeuges weisen einen positiven Vorspurwinkel auf. Sind die Radaufstandkräfte F_{11_0}–F_{14_0} der Räder 1–4 einer Achse gleich groß, so sind die erzeugten Seitenkräfte F_SV, F_SH infolge der sich einstellenden Schräglaufwinkel α an den Rädern 1–4 einer Achse gleich groß. Damit ist die resultierende Seitenkraft Null und das Fahrzeug fährt geradeaus.
Das aktive Fahrwerksystem bietet nun die Möglichkeit unterschiedliche Radaufstandkräfte F₁₁–F₁₄ einzustellen. In vorteilhafter Weise sind die Radaufstandkräfte F₁₁–F₁₄ so einstellbar, dass auf das Fahrzeug ein Giermoment M_z wirkt. Dieses Giermoment M_z wird bevorzugt dazu genutzt den Fahrzeuggeradeauslauf zu stabilisieren, beispielsweise kann dadurch wirkungsvoll der Einfluss von Seitenwind und/oder Fahrbahnunebenheiten kompensiert werden. Um den Komfort des Fahrers nicht zu mindern, sind die Radaufstandkräfte F₁₁–F₁₄ derart veränderbar, dass sich der Fahrzeugaufbau 5 nicht bewegt.
Die idealisierte Schwerpunktslage S befindet sich in dem in 2 dargestellten Fahrzeug mittig zwischen Vorder- und Hinterachse sowie mittig zwischen den linken Rädern 1, 3 und rechten Rädern 2, 4. Die idealisierte Schwerpunktslage ist der Funktionsbeschreibung des Verfahrens zugrunde gelegt, das Verfahren kann selbstverständlich auch bei jeder anderen, beliebigen Schwerpunktslage angewendet werden. Dabei wird beispielsweise die Aufstandskraft F_{11_0} am Rad 1 und die Aufstandskraft F_{14_0} am Rad 4 um einen vorbestimmbaren Betrag ΔF erhöht und die Aufstandskraft F_{13_0} des Rades 3 und die Aufstandskraft F_{12_0} Rades 2 gleichzeitig um den gleichen Betrag ΔF erniedrigt. Die wirksamen Radaufstandkräfte F₁₁–F₁₄ in 1 sind dann: F₁₁ = F_{11_0} + ΔF F₁₂ = F_{12_0} – ΔF F₁₃ = F_{13_0} – ΔF F₁₄ = F_{14_0} + ΔF
Durch diese unterschiedlichen Radaufstandskräfte F₁₁–F₁₄ führt das Fahrzeug bei einer Bewegung des Fahrzeuges in Fahrtrichtung 10 infolge einer Seitenkraftänderung eine Gier- und Querbewegung aus. Infolge eines fest eingestellten Vorspurwinkels und der Bewegung des Fahrzeuges in Fahrtrichtung 10 weist jedes Rad einen Schräglaufwinkel α auf, der in Abhängigkeit der jeweiligen Radaufstandkraft F₁₁–F₁₄ eine am Rad 1–4 angreifende Seitenkraft Fs bestimmt, siehe 3. Dabei weisen in Fahrtrichtung 10 gesehen die rechten Räder 2, 4 einen positiven und die linken Räder 1, 3 einen negativen Schräglaufwinkel α auf. In dem Diagramm in 3 sind qualitativ für verschieden Radaufstandkräfte d. h. für 5000 N, 6000 N, 7000 N die an einem Rad angreifenden Seitenkräfte Fs in Abhängigkeit des Schräglaufwinkels α aufgetragen. Es handelt sich hierbei um eine qualitative Darstellung, die zur Erklärung des Verfahrens dient. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass bei gleich großen Radaufstandkraft F₁₁–F₁₄ aufgrund des symmetrischen Verlaufs der Kurve die Summe der an einer Achse angreifenden Seitenkräfte Fs Null ist. Beispielsweise ist bei einer Radaufstandskraft F₁₁, F₁₂ von jeweils 6000 N an den Rädern 1, 2 der Vorderachse die Seitenkraft F_S1 am linken Rad 1 bei einem Schräglaufwinkel –α betragsmäßig gleich groß wie F_S2 am rechten Rad 2 mit dem Schräglaufwinkel α, wobei die Kraftrichtungen entgegengesetzt sind. Für diesen Fall gilt für die resultierende Kraft F_resV an der Vorderachse F_resV = –F_S1 + F_S2 = 0.
Gemäß vorangehender Gleichungen werden die Kräfte an dem System so abgestimmt, dass an den Rädern 1, 2, 3, 4 bei Bewegung des Fahrzeuges in Fahrtrichtung 10 Seitenkräfte angreifen aus denen ein Giermoment M_z resultiert. Die im folgenden erklärte, beispielhafte Veränderung der Radaufstandkräfte F₁₁–F₁₄ erzeugt ein rechts drehendes Giermoment M_z. An der Vorderachse wird gemäß 1 und 3 die Radaufstandskraft F_{11_0} des linken Rades 1 um einen Wert ΔF = 1000 N von 6000 N auf 7000 N erhöht, wodurch wie in 2 und 3 dargestellt die Seitenkraft F_S1 betragsmäßig um den Wert ΔFs₁ ansteigt. Am rechten Rad 2 wird die Radaufstandskraft F_{12_0} um den gleichen Betrag ΔF von 6000 N auf 5000 N erniedrigt, so dass die Seitenkraft F_S2 um den Wert ΔFs₂ absinkt. An der Vorderachse wirkt damit gemäß 2 eine entgegen der Richtung der y-Achse gerichtete resultierende Seitenkraft F_resV = –F_S1 – ΔF_S1 + F_S2 – ΔF_S2, wobei mit F_S1 = F_S2 F_resV = –ΔFs₁ – ΔFs₂.
Gemäß obigen Gleichungen ist an der Hinterachse die Radaufstandskraft F_{13_0} des linken Rades 3 um den Wert ΔF = 1000 N erniedrigt und die Radaufstandskraft F_{14_0} des rechten Rades ist um den Wert ΔF = 1000 N erhöht. Entsprechend einem zu 3 analogen, den Radaufstandskräften F_{13_0} und F_{14_0} zugehörigen Schräglaufwinkel-Seitenkraft Diagramm sinkt nun betragsmäßig die Seitenkraft F_S3 am linken Rad 3 um den Wert ΔFs₃, am rechten Rad 4 steigt die Seitenkraft F_S4 um den Wert ΔFs₄, die resultierende Seitenkraft an der Hinterachse ergibt sich dann zu F_resH = –F_S3 + ΔFs₃ + F_S4 + ΔFs₄, wobei mit F_S3 = F_S4 F_resH = ΔFs₃ + ΔFs₄.
Damit wirkt an der Hinterachse eine resultierende Seitenkraft F_resH = ΔFs₃ + ΔFs₄, die entgegen der Kraft an der Vorderachse wirkt. Im Falle einer gleichen Achslast an der Vorder- und Hinterachse weisen die Seitenkräfte F_resV und F_resH einen gleich großen Wert auf.
Die Seitenkräfte F_resV und F_resH erzeugen ein rechtsdrehendes Giermoment M_z, das zur Stabilisierung des Geradeauslaufs des Kraftfahrzeuges genutzt wird. Beispielsweise ist durch das Giermoment M_z ein von rechts einwirkender Seitenwind derart kompensierbar, dass das Fahrzeug ohne Eingriff eines Fahrers weiterhin geradeaus fährt. Das Giermoment M_z wird entsprechend der Höhe des Seitenwindes über die Variation der Kräfte ΔF eingestellt. Gleichermaßen wird auf einer nach links geneigter Fahrbahn über das Giermoment M_z der Geradesauslauf stabilisiert. Weiterhin können auch Einflüsse von Fahrbahnunebenheiten wie Spurrillen oder Längsfugen ausgeglichen werden. Neben einer Korrektur des Geradesauslaufs bei Geradeausfahrt kann über das Giermoment M_z auch eine Abweichung des Fahrzeuges von einer Soll-Kreisbahn bei Kurvenfahrt, die beispielsweise durch einen Seitenwind, eine Fahrbahnquerneigung usw. ausgelöst wird, ausgeglichen werden.
Um ein linksdrehendes Giermoment aufzubauen, erfolgt an dem vorderen rechten und hinteren linken Rad 2, 3 eine Erhöhung und an dem vorderen linken und hinteren rechten Rad 1, 4 eine Verringerung der Radaufstandkräfte F₁₁–F₁₄.
Die Erkennung einer den Geradeauslauf beeinträchtigenden Größe wie beispielsweise Seitenwind erfolgt über Seitenwindsensoren, Gierratensensoren, Wanksensoren, Beschleunigungssensoren in Längs-, Quer, -Hochachsenrichtung, Umwelterkennung mittels Bildverarbeitung oder aus einer Kombination dergleichen. Diese Größen werden dem Steuergerät zugestellt, das für die jeweilige Fahrsituation die erforderlichen Radaufstandkräfte berechnet und die Stellelemente 9 ansteuert. Ferner wird über die Weggeber die Aufbaulage überwacht, so dass gegebenenfalls bei einer Veränderung der Aufbaulage über die Radaufstandskräfte F₁₁–F₁₄ dieser entgegengewirkt wird.
In einer modifizierten Ausführungsform wird nur an einer Achse eine Seitenkraft erzeugt. Wenn beispielsweise ein Fahrzeug nur an der Vorderachse eine Vorspur aufweist, so kann über die Änderung der Radaufstandkräfte F₁₁, F₁₂ eine Richtungskorrektur des Fahrzeuges vorgenommen werden.
In einer weiteren Ausführung sind bei Tolerierung von Aufbaubewegungen darüber hinaus unsymmetrische Änderungen der Radaufstandkräfte F₁₁–F₁₄, d. h. mit einem ΔF unterschiedlicher Höhe an den Rädern 1, 2, 3, 4 anwendbar. Gleichfalls sind auch gezielte Aufbaubewegungen, die beispielweise einen Fahreindruck bei einer Fahrkorrektur durch Veränderung der Radaufstandkräfte verbessert, realisierbar. Bei außermittigen Schwerpunktslagen S, die von der in 2 gezeigten abweichen, sind gegebenenfalls Aufbaubewegungen in Kauf zu nehmen, sofern diese nicht durch eine unsymmetrische Veränderung der Radaufstandkräfte ausgeglichen werden können.
In einer weiteren modifizierten Ausführungsform wird eine Vorrichtung vorgesehen, die die Vorspur der Räder 1, 2, 3, 4 bei Bedarf temporär erhöht. Das maximal erreichbare Giermoment M_z steigt mit zunehmendem Vorspurwinkel an. Um eine mit zunehmenden Vorspurwinkel permanente Erhöhung des Rollwiderstands zu vermeiden, wird der Vorspurwinkel nur erhöht, wenn diese zum Aufbau eines angeforderten Giermomentes M_z erforderlich ist.
Mit dieser Vorrichtung ist an jeder Achse je nach Bedarf ein negativer sowie ein positiver Vorspurwinkel einstellbar.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines aktiven Fahrwerksystems für ein Kraftfahrzeug, – bei dem Abstützaggregate (6) zwischen Rädern (1–4) und Aufbau (5) angeordnet werden und – bei dem die Abstützkräfte der Abstützaggregate (6) durch einen Rechner eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abstützaggregate (6) als Federbeine, mit einer veränderbaren Vorspannung einer Schraubenfeder und/oder Luftfeder oder als hydropneumatische Federbeine ausgeführt werden, – die Räder (1–4) mindestens einer Achse mit einem Vorspurwinkel angeordnet werden und die – Radaufstandskräfte (F₁₁–F₁₄) der Räder (1–4) dieser Achse durch Ansteuerung der Abstützaggregate (6) unterschiedliche Werte annehmen und dadurch an der Achse eine Seitenkraft (F_resV, F_resH) erzeugt und ein resultierendes Giermoment (M_z) aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radaufstandskräfte (F₁₁–F₁₄) der Räder verschiedener Achsen, die jeweils einen Vorspurwinkel aufweisen, so eingestellt werden, dass durch die an den Achsen erzeugten Seitenkräfte (F_resV, F_resH) ein gleichsinniges Giermoment (M_z) aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Giermomentes (M_z) in Abhängigkeit eines Seitenwindes eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Giermomentes (M_z) in Abhängigkeit einer Fahrbahnquerneigung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspurwinkel und der damit verbundene Schräglaufwinkel α an einer Vorderachse und/oder einer Hinterachse über ein Verstellelement nach Bedarf verändert werden kann.