DE102005013970A1

DE102005013970A1 - Fahrdynamik-Regelsystem zum Reduzieren des Wankens

Info

Publication number: DE102005013970A1
Application number: DE200510013970
Authority: DE
Inventors: Christian Koletzko; Marcus Dr. Jautze
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-03-26
Filing date: 2005-03-26
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-27
Also published as: DE102005013970B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrdynamik-Regelsystem zum Reduzieren des Wankens des Fahrzeug-Aufbaus eines zweispurigen Fahrzeugs mit Verstelldämpfern mit variabler Dämpfungscharakteristik, die unter Berücksichtigung der Wankrate des Fahrzeug-Aufbaus unter Anwendung eines sog. Skyhook-Ansatzes angesteuert werden, um ein dem Wanken entgegengerichtetes Kontermoment zu erzeugen. In Verbindung mit einem Lenkvorgang wird ein der hierdurch hervorgerufenen Wankbewegung entgegengerichteter voreilender Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des sog. Anwankens und ferner ein zur Bedämpfung des sog. Nachschwingens vorgesehener Kontermoment-Anteil ermittelt und es werden diese beiden Kontermoment-Anteile zusätzlich zum nach dem Skyhook-Ansatz ermittelten Kontermoment bei der Ansteuerung der Verstelldämpfer berücksichtigt. Der voreilende Kontermoment-Anteil kann unter Berücksichtigung der Gierrate, des Lenkwinkels, der Fahr-Geschwindigkeit und der Querbeschleunigung des Fahrzeugs ermittelt werden oder es kann bei Vorhandensein zumindest eines weiteren die Vertikaldynamik beeinflussenden geregelten Stellsystems ein sog. Defizitmoment, das sich aus der Differenz zwischen einem für dieses Stellsystem bestimmten Soll-Kontermoment und dem jeweiligen Ist-Kontermoment ergibt, als voreilender Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des Anwankens verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrdynamik-Regelsystem zum Reduzieren des Wankens des Fahrzeug-Aufbaus eines zweispurigen Fahrzeugs mit in den Radaufhängungen vorgesehenen Verstelldämpfern mit variabler Dämpfungscharakteristik, die unter Berücksichtigung der Wankrate des Fahrzeug-Aufbaus unter Anwendung eines sog. Skyhook-Ansatzes angesteuert werden, um ein dem Wanken entgegen gerichtetes Kontermoment zu erzeugen. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 101 26 933 B4 verwiesen.

Verstelldämpfer-Systeme in der Radaufhängung von Kraftfahrzeugen sind grundsätzlich bekannt. Neben aufwändigen aktiven Systemen, mit denen Kräfte unabhängig von der aktuellen Relativbewegung des Dämpfers, d.h. bei einem hydraulischen Dämpfer unabhängig von der Bewegung des Dämpfer-Kolbens gegenüber dem Dämpfer-Zylinder, aufgebracht werden können, kommen vorzugsweise weniger aufwändige sog. semiaktive Verstell-Dämpfer zum Einsatz, deren Dämpfungscharakteristik zwar veränderbar ist, jedoch nur insoweit, als eine besagte Relativbewegung vorliegt. Ebenfalls grundsätzlich bekannt ist die Ansteuerung von (vorzugsweise semiaktiven) Verstelldämpfern über den sog. Skyhook-Ansatz, über den eine Soll-Dämpfkraft (bzw. ein entsprechendes Dämpf-Moment) ermittelt wird, indem die Geschwindigkeit des Fahrzeug-Aufbaus gegenüber den Fahrzeugrädern mit geeigneten sog. Skyhook-Faktoren multipliziert wird. Im Prinzip liegt der üblichen Skyhook-Regelung somit ein einfacher Zustandsregler zugrunde.

Wankbewegungen des Aufbaus eines zweispurigen Fahrzeugs können verschiedene Ursachen haben, so neben aerodynamischen Kräften (Seitenwind-Einfluss) und durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen Normalkraftänderungen an den Rädern (= fahrbahninduziertes Wanken) insbesondere auch eine auf das Fahrzeug einwirkende Querbeschleunigung, die auf einen Lenkvorgang zurückzuführen ist, wobei letzteres als „fahrerinduziertes Wanken" bezeichnet werden kann.

Hiermit soll nun aufgezeigt werden, wie durch Querbeschleunigung und somit einen Lenkvorgang hervorgerufene Wankbewegungen mit Verstelldämpfern, insbesondere semiaktiven Verstelldämpfern, verbessert bedämpft bzw. bekämpft werden können (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).

Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Fahrdynamik-Regelsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit einem Lenkvorgang ein der hierdurch hervorgerufenen Wankbewegung entgegen gerichteter voreilender Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des sog. Anwankens und ferner ein zur Bedämpfung des sog. Nachschwingens vorgesehener Kontermoment-Anteil ermittelt werden und dass diese beiden Kontermoment-Anteile zusätzlich zum nach dem Skyhook-Ansatz ermittelten Kontermoment bei der Ansteuerung der Verstelldämpfer berücksichtigt werden. Dabei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass hier zwar von Momenten gesprochen wird, dass aber anstelle von Momenten ebenso gut entsprechende Kräfte ermittelt werden können, nachdem hierzwischen über den jeweiligen Hebelarm ein direkter linearer Zusammenhang besteht.
Durch Versuche mit verschiedenen Fahrzeugen und anhand einer Korrelationsanalyse zwischen Lenkwinkel, sog. Wankrate (= Wankwinkel-Änderungsgeschwindigkeit) und anderen Fahrzeuggrößen wurde festgestellt, dass sich der zeitliche Verlauf der Wankrate aufgrund eines definierten Lenkwinkelimpulses in drei zeitlich aufeinander folgende Bereiche untergliedern lässt. Dabei stellt als erster Bereich das sog. Anwanken die zeitlich erste Bewegung des Fahrzeugaufbaus um die Fzg.-Längsachse nach einer Lenkwinkeleingabe dar und äußert sich primär in einem Einfedern der kurvenäußeren Räder. Diese erste „Kippbewegung" des Fzg.-Aufbaus kann qualitativ beurteilt werden, jedoch sind feine Unterschiede zwischen unterschiedlichen Systemauslegungen subjektiv schwer aufzulösen. An dieses sog. Anwanken schließt sich im zeitlichen Ablauf die sog. erzwungene Schwingung an, die so benannt ist, weil der Fahrer mit seiner Lenkwinkeleingabe erheblichen Einfluss auf das Schwingverhalten nimmt und somit der Wankschwingung eine Frequenz aufzwingt. Der sich hieran anschließende sog. Nachschwingvorgang schließlich charakterisiert das Abklingen der Wankschwingung in dem Bereich, in dem keine Lenkwinkeleingabe durch den Fahrer mehr stattfindet.
Ein hiermit vorgeschlagener nach dem Skyhook-Ansatz arbeitender Regler eines Verstelldämpfersystems sorgt nun zunächst wie grundsätzlich üblich für die Bedämpfung der modalen Freiheitsgrade des Fahrzeugs, nämlich Huben, Nicken und Wanken. Weiter vorgeschlagen wird jedoch ein zusätzlicher Regelansatz, der außerhalb der Geradeausfahrt des Fahrzeugs eine Wankbewegung des Fzg.-Aufbaus bei dynamischen Anlenkvorgängen minimiert. Für eine solche Abstützung des Wankmoments beim Anlenken müssen möglichst frühzeitig Informationen über das zukünftige Wankverhalten zur Verfügung stehen, um mit den Verstelldämpfern entsprechend schnell reagieren zu können. Um diese Anforderung zu erfüllen, kann ein entsprechender Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des genannten Anwankens grundsätzlich über verschiedene Ansätze ermittelt werden. Hier vorgeschlagen wird hierfür eine voreilende Ermittlung des zur Bedämpfung des Anwankens benötigten Anteils des einer Wankbewegung entgegen gerichteten Kontermoments. Beispielsweise kann hierfür über ein in einer elektronischen Steuereinheit hinterlegtes Fahrzeugmodell und ein geeigne tes Fahrdynamikmodell (bspw. Einspurmodell) ein sog. voreilender Kontermoment-Anteil aus der Fahrgeschwindigkeit, dem Lenkwinkel, der Querbeschleunigung und der Gierrate des Fahrzeugs berechnet werden. Das so errechnete voreilende Kontermoment wird vorzugsweise vor der weiteren Verwendung im Regler geeignet aufbereitet, nämlich auch im Hinblick darauf, dass ein Verstelldämpfersystem prinzipbedingt keine stationären Kräfte aufbringen kann, was zu der Notwendigkeit führt, die stationären Anteile zu eliminieren. Dies geschieht vorzugsweise mittels Hochpassfilterung. Der somit gewonnene voreilende Kontermoment-Anteil kann dann als Vorsteuer-Anteil im Regler auf das über den üblichen Skyhook-Ansatz ermittelte Kontermoment aufaddiert werden. Somit wird bereits bei Beginn einer Wankbewegung eine entsprechend hohe Kraftanforderung an die Verstell-Dämpfer gestellt, so dass zeitlich früher Energie aus dem System dissipiert werden kann. Dies senkt die maximale Amplitude des Anwankvorgangs um ein erhebliches Maß ab.
Eine weitere wichtige Phase einer Wankbewegung aufgrund von auf das Fahrzeug einwirkender Querbeschleunigung wird – wie weiter oben ausgeführt – als Nachschwingvorgang bezeichnet. Dieses Nachschwingen lässt sich beim Zurücklenken von einem bestimmten Lenkwinkel in Neutralstellung gut beurteilen. Dabei kann es sich um Herauslenken aus einer stationären Kreisfahrt handeln oder um das Ende eines Lenkwinkelimpulses. Die Nachschwingphase kann subjektiv leichter aufgelöst und beurteilt werden als die erste Phase des Anwankens, da vom Fahrer keine Lenkbewegungen mehr durchgeführt werden müssen und keine Querbeschleunigung auf den Körper wirkt. Es wurde erkannt, dass im Verlauf dieses Nachschwingvorganges geringe Veränderungen der Reglerparameter oder der Hardware-Abstimmung spürbarere Auswirkungen zeigen als in der sog. Anwank-Phase.
Es wurde bereits dargelegt, dass die Verwendung des voreilenden Wankmoments als Vorsteuerzweig für den Skyhook-Regler für eine rasche Stellgrößenvorgabe zu Beginn der Wankbewegung sorgt. Es ist aber nicht möglich, mit Hilfe dieser Erweiterung Einfluss auf das Nachschwingen zu nehmen. Da zum entsprechenden Zeitpunkt sowohl der Lenkwinkel als auch die Querbeschleunigung gegen Null gehen, wären an dieser Stelle komplexe Wankmodelle erforderlich. Um die Komplexität des Ansatzes beherrschbar zu gestalten, wird vorgeschlagen, auf die Verwendung umfangreicher Bewegungsmodelle zu verzichten. In der Erkenntnis, dass die sog. Wankrate den Bewegungszustand des Fahrzeugaufbaus zwar ausreichend beschreibt, jedoch die Skyhook-Wankdämpfung, wie sie für fahrbahninduziertes Wanken abgestimmt wird, nicht ausreicht, um die Wankbewegung in der Nachschwingphase im Falle des sog. fahrerinduzierten Wankens zu minimieren, wird vorgeschlagen, hierfür eine zusätzliche Skyhook-Wankverstärkung vorzusehen. Diese zusätzliche Skyhook-Wankverstärkung wird als Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des sog. Nachschwingens aus der geeignet gemessenen Wankrate des Fahrzeug-Aufbaus ermittelt.
Da sich schnelle und heftige Lenkbewegungen im Verlauf des – wie bereits erläutert – vorgeschlagenen voreilenden Kontermoment-Anteils widerspiegeln, kann also bei Überschreiten eines Schwellwertes hierfür der sog Skyhook-Faktor entsprechend, nämlich vorzugsweise in Abhängigkeit von der festgestellten Wankrate, erhöht werden. Dieser erhöhte Skyhook-Faktor ist dann für eine gewisse Zeit aktiv, womit erheblich mehr Dämpfkraft erzielbar ist, mit welcher dann die Bewegung des Fzg.-Aufbaus um die Fzg.-Längsachse in möglichst kurzer Zeit zum Abklingen gebracht werden kann. Als Vorteile einer hohen Wankverstärkung sind dabei zu nennen, dass jede Regeldifferenz praktisch sofort in eine hohe Stellgrößenvorgabe umgesetzt wird und das Nachschwingen phasenrichtig und bedarfsgerecht bedämpft wird, ohne dass zusätzliche Algorithmen oder Schaltmechanismen nötig wären.
Die beigefügte einzige Figur zeigt (vereinfacht) die Struktur eines erfindungsgemäßen Fahrdynamik-Regelsystems. Eine Verwendung von Momenten-Schnittstellen ermöglicht dabei die einfache Addition der zur Aufbaustabilisierung dienenden Momente. Dabei gilt folgende Nomenklatur:

M_x,ges: vollständiges (gesamtes) Konter-Moment
M_x,SH: unter Anwendung des Skyhook-Ansatzes ermitteltes Moment
M_x,vor,dyn: voreilender Kontermoment-Anteil (gegen Anwanken)
M_x,Verst: Anteil gegen Nachschwingen (erhöhter Skyhook-Faktor)
ϕ .: Wankrate
ψ .: Gierrate
δ_L: Lenkwinkel
v_F: Fahrgeschwindigkeit
a_y: Querbeschleunigung

Neben den genannten Verstelldämpfern kann im Fahrwerk des Fahrzeugs zumindest ein weiteres, die Vertikaldynamik beeinflussendes geregeltes Stellsystem vorgesehen sein, so bspw. geteilte Querstabilisatoren, deren Hälften mittels eines Stellmotors gezielt tordiert werden können, oder auch aktive, die Fußpunkte der Tragfedern zwischen Aufbau und Fahrwerk im wesentlichen vertikal verlagernde Systeme. Derartige aktive Systeme können vorteilhafterweise unabhängig vom Vorliegen einer Relativbewegung zwischen Fzg.-Aufbau und Fzg.-Rad Kräfte in das Fahrwerk einleiten, haben jedoch gegenüber semiaktiven Verstelldämpfern den Nachteil einer geringeren Stellgeschwindigkeit. Zu dieser Problematik kann im übrigen auf unsere nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2004 055 177 verwiesen werden. Darin ist ein Betriebsverfahren eines Fahrwerk-Regelsystems eines zweispurigen Fahrzeugs beschrieben, das zumindest an einer Achse mit einem geteilten Drehstabstabilisator, 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 Fahrzeugsaufbaus 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. Dieses Defizitmoment kann nun alternativ zur weiter oben dargestellten Berechnung als voreilender Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des Anwankens verwendet werden.
Ein gemäß vorliegender Erfindung quasi „erweiterter Skyhook-Ansatz" erlaubt eine Regelsystem-Auslegung mit physikalisch auftretenden und messbaren Größen. Durch die Verwendung von Momenten-Schnittstellen, anstelle derer im übrigen auch Kraft-Schnittstellen vorgesehen sein können, kann die Komplexität der Abstimmung insgesamt reduziert und eine Integration mit anderen Fahrwerksregelsystemen deutlich einfacher gestaltet werden. Zusätzlich ist die vorgestellte Architektur robust gegenüber Änderungen von Fahrzeugparametern und der verwendeten Aktuatorik, wobei durchaus ein Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Fahrdynamik-Regelsystem zum Reduzieren des Wankens des Fahrzeug-Aufbaus eines zweispurigen Fahrzeugs mit in den Radaufhängungen vorgesehenen Verstelldämpfern mit variabler Dämpfungscharakteristik, die unter Berücksichtigung der Wankrate des Fahrzeug-Aufbaus unter Anwendung eines sog. Skyhook-Ansatzes angesteuert werden, um ein dem Wanken entgegen gerichtetes Kontermoment zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit einem Lenkvorgang ein der hierdurch hervorgerufenen Wankbewegung entgegen gerichteter voreilender Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des sog. Anwankens und ferner ein zur Bedämpfung des sog. Nachschwingens vorgesehener Kontermoment-Anteil ermittelt werden und dass diese beiden Kontermoment-Anteile zusätzlich zum nach dem Skyhook-Ansatz ermittelten Kontermoment bei der Ansteuerung der Verstelldämpfer berücksichtigt werden.
Fahrdynamik-Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Bedämpfung des Nachschwingens vorgesehene Kontermoment-Anteil aus der Wankrate ermittelt wird.
Fahrdynamik-Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der voreilende Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des sog. Anwankens unter Berücksichtigung der Gierrate, des Lenkwinkels, der Fahr-Geschwindigkeit und der Querbeschleunigung des Fahrzeugs ermittelt wird.
Fahrdynamik-Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorhandensein zumindest eines weiteren die Vertikaldynamik beeinflussenden geregelten Stellsystems ein sog. Defizitmoment, das sich aus der Differenz zwischen einem für dieses bestimmten Soll-Kontermoments und dem jeweiligen Ist-Kontermoment ergibt, als voreilender Kontermoment-Anteil zur Bedämpfung des Anwankens verwendet wird.