DE102004055177A1

DE102004055177A1 - Betriebsverfahren eines Fahrwerk-Regelsystems

Info

Publication number: DE102004055177A1
Application number: DE102004055177A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Webers; Uwe Prömm; Christian Koletzko
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: DE102004055177B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren eines Fahrwerk-Regelsystems eines zweispurigen Fahrzeugs, das zumindest an einer Achse mit einem geteilten Drehstabilisator, dessen Hälften mittels eines geeigneten gezielt ansteuerbaren Aktuators gegeneinander verdrehbar sind, sowie mit hinsichtlich ihrer Dämpfungscharakteristik veränderbaren Dämpfern versehen ist, wobei ein einer Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus entgegen gerichtetes Wankkontermoment ermittelt und geeignet in das Fahrwerk des Fahrzeugs eingeleitet wird. Dabei wird im Zeitverlauf neben einem im wesentlichen idealen Soll-Wankkontermoment ein über den Aktuator oder im Falle mehrerer Stabilisatoren über die Aktuatoren angelegtes Aktuator-Wankkontermoment ermittelt und die Differenz aus diesen beiden Momentenwerten als sog. Defizitmoment in der Ansteuerung der Dämpfer berücksichtigt. Kleine Amplituden des Defizitmoments werden über ein Tiefpassfilter geleitet, während größere Amplituden des Defizitmoments phasenanhebend korrigiert werden. Entsprechende Korrekturen können aber auch in einem entsprechend angepassten Modell für das Aktuator-Wankkontermoment vorgenommen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren eines Fahrwerk-Regelsystems eines zweispurigen Fahrzeugs, das zumindest an einer Achse mit einem geteilten Drehstab-Querstabilisator, dessen Stabilisator-Hälften mittels eines geeigneten gezielt ansteuerbaren Aktuators gegeneinander verdrehbar sind, sowie mit hinsichtlich ihrer Dämpfungscharakteristik veränderbaren Dämpfern versehen ist, wobei ein einer Wankbewegung des Fahrzeugsaufbaus entgegen gerichtetes Wankkontermoment ermittelt und geeignet in das Fahrwerk des Fahrzeugs eingeleitet wird. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 100 01 087 A1 sowie auf die WO 03/008215 A1 verwiesen.

Übliche Fahrwerksregelsysteme enthalten dezentrale autonome Funktionseinheiten zur Steuerung und Regelung von Fahrwerkskomponenten wie die Dämpferregelung oder eine sog. aktive Wank-Stabilisierung. Während im Rahmen einer Dämpferregelung üblicherweise die Dämpfungscharakteristik der die Vertikalbewegungen des Fahrzeug-Aufbaus dämpfenden Dämpfer verändert wird, wird bei einer sog. aktiven Wankstablisierung angestrebt, Wankbewegungen des Fzg.-Aufbaus gegenüber dem Fahrwerk zu reduzieren, was beispielsweise mittels geteilter Drehstab-Stabilisatoren erfolgen kann, deren Hälften mittels eines geeignet ansteuerbaren Aktuators gegeneinander tordierbar sind. Jede dieser genannten Funktionseinheiten enthält also Algorithmen zur Erfüllung der Ihr eigens aufgetragenen Regelungsaufgabe.

Die aktive Wank-Stabilisierung hat als wesentliche Regelaufgabe, Wankbewegungen des Fahrzeugaufbaus über einem definierten Dynamikbereich zu verhindern sowie in einem quasistatischen Bereich den Wankwinkel gezielt zu beeinflussen, insbesondere zu verringern oder zumindest gering zu halten, und steuert zur Erfüllung dieser Aufgabe den oder die ihr zugeordneten Aktuator(en) geeignet an. Eine Dämpferregelung sorgt im wesentlichen für eine Bedämpfung der Vertikal-Bewegungen des Fahrzeugaufbaus, hervorgerufen durch die Straßenanregung, indem sie – wie dem Fachmann bekannt – sog. aktive oder semiaktive Dämpfer als Reaktion auf entsprechende Vertikalbewegungen des Fahrzeugaufbaus geeignet ansteuert. Dabei kann selbstverständlich auch einer Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus in gewissen Umfang von semiaktiven sog. Verstell-Dämpfern entgegengewirkt werden. Da jedoch mit semiaktiven Dämpfern bekanntlich keine gezielte Einstellung des Höhenstandes des Fahrzeug-Aufbaus vorgenommen werden kann, können diese nur im Dynamikbereich zur Reduzierung von Wankbewegungen herangezogen werden, nicht jedoch im statischen oder quasistatischen Bereich, in welchem dann eine Veränderung des Wankwinkels alleine durch eine bereits genannte sog. aktive Wank-Stabilisierung erzielt werden kann.

Im bislang üblichen Stand der Technik ist jede der genannten fahrdynamischen Funktionseinheiten sozusagen spezialisiert zur Erfüllung der eigens für sie bestimmten Aufgabe, z.B. Wankstabilisierung oder Dämpferregelung, und steuert die Ihr zugeordnete Aktuatorik dementsprechend an. Die einzelnen Funktionseinheiten sind üblicherweise derart ausgelegt, dass ein Käufer des Fahrzeugs die Freiheit hat, jede Funktionseinheit einzeln als Sonderausstattung wählen zu können. Die Auslegung in Form eigenständiger autonomer Funktionseinheiten führt jedoch dazu, dass zwar die einzelnen Funktionsziele erfüllt werden, jedoch das Potential eines Zusatzgewinnes durch intelligente Vernetzung nicht oder nicht ausreichend ausgeschöpft wird. Es besitzt nämlich jedes der genannten Systeme, nämlich ein geteilter Drehstab-Stabilisator mit zugehörigem Aktuator einerseits, sowie ein Verstell-Dämpfer andererseits jeweils spezifische Vorteile und Nachteile. Zum einen unterscheiden sich diese Systeme hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens in langsame und schnelle Steller, ferner dahingehend, ob sie aktiv eine stationäre Kraft erzeugen können oder eher wie passive Steller mit adaptiven Parametern als semiaktive Steller wirken, die nur bei dynamisch eingeprägter Bewegung durch äußere Einwirkung Kräfte aufbauen können. Ferner liegen sog. Stellergrenzen bspw. hinsichtlich Ansprechverhalten und Energieverbrauch vor, die innerhalb des einzelnen Systems nicht überwunden werden können.

Diesbezüglich nun eine Verbesserung aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Betriebsverfahren eines Fahrwerk-Regelsystems eines zweispurigen Fahrzeugs, das zumindest an einer Achse mit einem geteilten Drehstab-Querstabilisator, dessen Stabilisator-Hälften mittels eines geeigneten gezielt ansteuerbaren Aktuators gegeneinander verdrehbar sind, sowie mit hinsichtlich ihrer Dämpfungscharakteristik veränderbaren Dämpfern versehen ist, wobei ein einer Wankbewegung des Fahrzeugsaufbaus entgegen gerichtetes Wankkontermoment ermittelt und geeignet in das Fahrwerk des Fahrzeugs eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Zeitverlauf neben einem im wesentlichen idealen Soll-Wankkontermoment ein über den Aktuator oder im Falle mehrerer Stabilisatoren über die Aktuatoren angelegtes Aktuator-Wankkontermoment ermittelt wird und dass die Differenz aus diesen beiden Momenten-Werten als sog. Defizitmoment in der Ansteuerung der Dämpfer berücksichtigt wird. Diese Berücksichtigung erfolgt dabei in Überlagerung zu deren eigenständiger Dämpfkraftregelung als Systemantwort auf Vertikalbewegungen des Fahrzeugaufbaus gegenüber den einzelnen Fahrzeug-Rädern. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Ein Wankstabilisierungssystem, welches einen geteilten Quer-Stabilisator bzw. dessen Stabilisator-Hälften mittels eines Aktuators (oder Stellmotors) gegeneinander verdreht bzw. tordiert, hat ein vergleichsweise langsames Ansprechverhalten, insbesondere im Vergleich zu einem Dämpfungsregelsystem mit hinsichtlich ihrer Dämpfungscharakteristik verstellbaren Dämpfern. Erfindungsgemäß wird daher bei der Ansteuerung der einzelnen Systeme, nämlich der Aktuatoren der geteilten Drehstab-Stabilisatoren einerseits sowie der (semiaktiven) Verstell-Dämpfer andererseits eine zeitliche Betrachtung und Unterscheidung durchgeführt. Zur Wankstabilisierung bzw. Bekämpfung einer Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus kann nämlich ein sog. Soll-Wankkontermoment bestimmt werden, ehe überhaupt eine nennenswerte Wankbewegung zu beobachten ist. Dieses Soll-Wankkontermoment kann vorzugsweise aus der Querbeschleunigung des Fahrzeugs sowie aus dem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel bestimmt werden. Zusätzlich in die Ermittlung des Soll-Wankkontermoments einfließen kann die sog. Wankrate, d.h. die Wankwinkel-Änderungsgeschwindigkeit. Der (bzw. die) dem/den geteilten Querstab-Stabilisator(en) zugeordnete(n) Aktuator(en) kann/können jedoch mit ihrem sog. Aktuator-Wankkontermoment zeitlich betrachtet dem Soll-Wankkontermoment nicht folgen, so dass als Differenz dieser beiden Werte ein sog. Defizitmoment (ebenfalls mit einem bestimmten zeitlichen Verlauf) vorliegt. Dieses sog. Defizitmoment soll nun bei der Ansteuerung der Verstell-Dämpfer berücksichtigt werden, und zwar solchermaßen, dass dieses als Sollgröße der üblichen Dämpferansteuerung, die auf die entsprechende Vertikalbewegung des Fahrzeugaufbaus reagiert, überlagert wird.

Auf die physikalischen Grundlagen eingehend wurde also festgestellt, dass insbesondere auf höherfrequente Wankbewegungen (im Frequenzbereich der Radfrequenz) ein aktives Wankstabilisierungssystem mit geteilen Querstab-Stabilisatoren nicht ansprechen kann. Dennoch kann ausgehend von einem prognostizierten Soll-Wankkontermoment auch hierauf reagiert werden, wenn für diesen Fall höherfrequenter Wankbewegungen das zu stabilisierende Wankmoment von der Dämpfungsregelung bzw. von deren Stellgliedern bereit gestellt wird. Hierfür kann in einem Rechnersystem für das Wank-Stabilisierungs-System dasjenige Wankmoment ermittelt werden, welches aus den genannten Gründen nicht vom eigenen Aktuator bereit gestellt werden kann. Dieses wird dann über einen geeigneten Kommunikationskanal an die Dämpferregelung übermittelt. Andererseits ist auf der Seite des Dämpfungsregelungs-Systems eine geeignete Vorrichtung geschaffen, die dieses Wankmoment in die Ansteuerungslogik der ihr zugeordneten aktiven oder semiaktiven Dämpfer bzw. zugehöriger Steller integriert. Eine solche Integration ermöglicht somit einen optimalen Einsatz des jeweiligen Stellers oder Aktuators, nämlich des die Stabilisatorhälften gegeneinander tordierenden Aktuators einerseits und des bzw. der die Dämpfungscharakteristik des/der Vertikalbewegungs-Dämpfer andererseits, innerhalb seiner bzw. ihrer jeweiligen durch sein/ihr Ansprechverhalten hinsichtlich des Frequenzbereichs definierter Stellgrenzen.

Detaillierter auf das vorgeschlagene Betriebsverfahren zurückkommend sind in der beigefügten 1 beispielhaft zeitliche Verläufe für ein Soll-Wankkontermoment S und ein Aktuator-Wankkontermoment A über der Zeitachse t aufgetragen und ferner ein möglicher Verlauf eines entsprechend der vorliegenden Erfindung von semiaktiven Dämpfern erzeugten Dämpfer-Wankkontermomentes D. Dabei ergibt sich die Anforderung für das Soll-Wankkontermoment bspw. aus einem abrupten Lenkrad-Einschlag des Fahrers des Kraftfahrzeugs. Klar ersichtlich wird, dass durch Summenbildung aus „A" und „D" der Verlauf von „S" wesentlich besser nachgebildet bzw. erreicht werden kann, als dies mit „A" alleine möglich ist.
2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild für das vorgeschlagene Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform. Als Aktuatoren zur Verdrehung des Stabilisatorhälften des vorderen bzw. hinteren Querstab-Stabilisators seien dabei hydraulische Schwenkmotoren eingesetzt. Diese werden zur Durchführung ihrer Funktion mit einem geeigneten Hydraulikdruck angesteuert, der dem von den Aktuatoren bereitgestellten Wankkontermoment direkt proportional ist. (Anstelle hydraulischer Aktuatoren könnten in vergleichbarer Weise elektromotorische Aktuatoren vorgesehen sein und angesteuert werden, wobei dann die Größe des elektrischen Stroms ein Maß für das bereitgestellte Wankkontermoment wäre). Wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist, erfolgt dabei gemäß 2 auch eine Aufteilung des Aktuator-Wankkontermoments auf den Aktuator der Vorderachse (VA) sowie auf denjenigen der Hinterachse (HA) des Fahrzeugs entsprechend einer geeigneten, hier nicht wesentlichen Vorgabe.
Die in 2 enthaltenen Symbole haben folgende Bedeutung:

a_y: Querbeschleunigung des Fahrzeugs
δ: Lenkwinkel, vom Fahrer vorgegeben
d_ϕ/dt: Wankrate
M_Soll: Soll-Wankkontermoment
R1: Block zur Berechnung des Soll-Wankkontermoments
R2: Block zur Berechnung des Aktuator-Wankkontermoments
p_VAist: Istwert Hydraulikdruck am Aktuator des Vorderachs-Stabilisators
p_HAist: Istwert Hydraulikdruck am Aktuator des Hinterachs-Stabilisators
M_ist: Istwert des Aktuator-Wankkontermoments
M_Defizit: Defizitmoment (als Differenz von M_Soll und M_ist)
M_VA/M_HA: Vorgabe der Aufteilung des Aktuator-Wankkontermoments auf die Vorderachse (VA) bzw. auf die Hinterachse (HA) des Fahrzeugs
R3: Block zur Berechnung des Hydraulikdrucks für die Aktuatoren der geteilten Querstab-Stabilisatoren
p_VAsoll: Sollwert Hydraulikdruck am Aktuator des Vorderachs-Stabilisators
P_HAsoll: Sollwert Hydraulikdruck am Aktuator des Hinterachs-Stabilisators
A_Stabi: Aktuatoren der geteilten Querstab-Stabilisatoren
R4: Block zur Berechnung der Dämpfer-Ansteuerung

In 2 nicht dargestellt sind vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung, auf die nunmehr eingegangen wird:
So kann das Defizitmoment bzw. dessen Zeitverlauf geeignet überarbeitet, bspw. „geglättet" werden, ehe dieser dann überarbeitete Wert als zusätzliche Sollwert-Vorgabe (zusätzlich zur üblichen Dämpfkraftberechnung in Abhängigkeit von einer Vertikalbewegung zwischen dem Fahrzeugaufbau und dem dem jeweiligen Dämpfer zugeordneten Fahrzeug-Rad) an den Regelungsblock zur Ermittlung der Dämpfer-Ansteuerung weitergeleitet wird. In diesem Sinne können also insbesondere kleine Amplituden des Defizitmoments über ein Tiefpassfilter geleitet werden, auch zur Eliminierung von Rauschen. Quasi als konträre Maßnahme hierzu können insbesondere größere Amplituden des Defizitmoments phasenanhebend korrigiert werden, so dass diese eine beschleunigte bzw. verstärkte Berücksichtigung finden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es auch möglich, entsprechendes in einem Modell für das Aktuator-Wankmoment zu berücksichtigen. Es kann nämlich ausreichend sein, das Aktuator-Wankmoment bzw. Istwerte desselben nicht durch Messung physikalischer Größen (im Beispiel gemäß 2 durch Messung des am Schwenkmotor-Aktuator anliegenden Hydraulikdrucks) zu bestimmen, sondern hierfür eine geeignete Modellrechnung durchzuführen.
Ferner kann es erwünscht sein, in einem Wank-Stabilisierungsystem mit geteilten Querstabilisatoren, deren Stabilisator-Hälften mittels geeigneter Aktuatoren gegeneinander tordierbar sind, aus energetischen Gründen die Ansteuerung der Aktuatoren für Stellwerte innerhalb eines gewissen Hysteresebereichs zu vermeiden. Dies kann mit dem vorgeschlagenen Betriebsverfahren nun einfach dadurch realisiert werden, dass in diesem sog. Hysteresebereich das Aktuator-Wankkontermoment zu Null gesetzt wird und somit nicht dieser) Aktuator(en), sondern alleinig die Dämpfer zur zumindest teilweisen Unterdrückung von Wankbewegungen angesteuert werden. Dieser Hysterebereich kann dabei durch unterschiedliche Bedingungen gekennzeichnet bzw. begrenzt sein, so bspw. bzw. bevorzugt durch die vorhersehbar benötigte Amplitude des jeweils vom Aktuator aufzubringenden Stellweges. Bspw. kann dann, wenn diese Amplitude einen Betrag von 5% des maximal möglichen Aktuator-Stellweges nicht überschreitet, auf eine Ansteuerung dieses Aktuators vollständig verzichtet werden, was eine Energieeinsparung bewirkt. Andererseits kann für diesen Hysteresebereich auch berücksichtigt werden, ob die Dämpfer überhaupt in der Lage sind, eine Dämpfkraft zu erzeugen, die einem gewünschten Dämpfer-Wankkontermoment entspricht. Ferner können aktuelle Fahrzustände im Rahmen der Festlegung eines aktuellen Hysteresebereichs berücksichtigt werden, so bspw. die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder die Tatsache, ob das Fahrzeug eher auf einer kurvenreichen oder auf einer kurvenarmen Strecke bewegt wird.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen Einbeziehung der Aktuatoren einer Dämpfungsregelung in ein Wankstabilisierungssystem wird für die Wankstabilisierungsfunktion zusätzliches funktionales Potential erschlossen, ohne die Funktion „Dämpfungsregelung" zu beeinträchtigen. Die Stellgrenzen des oder der Wankstabilisierungs-Aktuators/(en) werden durch Integration der Steller der Dämpfungsregelung zumindest teilweise überwunden. Die entsprechenden Erweiterungen der Ansteuerungslogiken beschränken sich auf die Software bei unveränderter Hardware. Zudem kann durch entsprechende Gestaltung der vorgeschlagenen Software-Erweiterung gewährleistet werden, dass beide Systeme weiterhin einzeln integriert werden können. Vorteilhafterweise kann auch bei einem Ausfall der Wankstabilisierungs-Aktuatorik eine Bedämpfung der Wankbewegung mit Hilfe der Dämpfungsregelung erfolgen, wobei durchaus Abweichungen von obigen Erläuterungen möglich sind, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Betriebsverfahren eines Fahrwerk-Regelsystems eines zweispurigen Fahrzeugs, das zumindest an einer Achse mit einem geteilten Drehstab-Querstabilisator, dessen Stabilisator-Hälften mittels eines geeigneten gezielt ansteuerbaren Aktuators gegeneinander verdrehbar sind, sowie mit hinsichtlich ihrer Dämpfungscharakteristik veränderbaren Dämpfern versehen ist, wobei ein einer Wankbewegung des Fahrzeugsaufbaus entgegen gerichtetes Wankkontermoment ermittelt und geeignet in das Fahrwerk des Fahrzeugs eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Zeitverlauf neben einem im wesentlichen idealen Soll-Wankkontermoment ein über den Aktuator oder im Falle mehrerer Stabilisatoren über die Aktuatoren angelegtes Aktuator-Wankkontermoment ermittelt wird und die Differenz aus diesen beiden Momenten-Werten als sog. Defizitmoment in der Ansteuerung der Dämpfer berücksichtigt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere kleine Amplituden des Defizitmoments über ein Tiefpassfilter geleitet werden.
Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere größere Amplituden des Defizitmoments phasenanhebend korrigiert werden.
Betriebsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Korrekturen am Defizitmoment im Sinne einer Tiefpassfilterung oder eine Phasenanhebung in einem entsprechend angepassten Modell für das Aktuator-Wankkontermoment vorgenommen werden.
Betriebsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sog. Hysteresebereich des Aktuators des Drehstab-Querstabilisators das Aktuator-Wankkontermoment zu Null gesetzt wird und somit nicht dieser, sondern nur die Dämpfer zur zumindest teilweisen Unterdrückung von Wankbewegungen angesteuert werden, wobei dieser Hysteresebereich insbesondere durch kleine Verstell-Amplituden desselben gekennzeichnet ist.