-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Signalen zur
Beeinflussung der Bewegung eines in seinen Bewegungsabläufen
steuerbaren oder regelbaren Fahrzeugaufbaus eines Kraftfahrzeuges,
wobei sensorisch die Bewegung des Fahrzeugaufbaus ermittelt wird,
die den ermittelten Sensorwerten entsprechenden Sensorsignale einem Dämpferregler
zugeführt werden, der Dämpferregler wenigstens
ein Steuersignal zur Ansteuerung von Aktuatoren, insbesondere von
semiaktiven oder aktiven Dämpfern, liefert, mittels denen
die Bewegung des Fahrzeugaufbaus beeinflusst werden kann. Die Erfindung
betrifft ferner ein System zur Durchführung des Verfahrens
und ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem System zur
Beeinflussung der Bewegung eines in seinen Bewegungsabläufen steuerbaren
oder regelbaren Fahrzeugaufbaus.
-
Verfahren
und Systeme der gattungsgemäßen Art sind bekannt.
So ist beispielsweise aus
DE 39
18 735 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung
von Bewegungsabläufen an Fahrwerken von Personen- und Nutzkraftfahrzeugen
bekannt, bei denen aus einer sensorisch ermittelten Bewegung zweier
Fahrzeugmassen mittels einer Signalverarbeitungsschaltung ein Steuersignal
für einen steuerbaren, an den Fahrzeugmassen angreifenden
Aktuator gebildet wird. Für eine komfortable und dennoch sichere
Fahrwerkabstimmung ist vorgesehen, die sensorisch ermittelten Signale über
eine der Signalverarbeitungsschaltung angehörenden Schaltungsanordnung
mit frequenzabhängigem Übertragungsverhalten zu
leiten. Hierdurch soll erreicht werden, dass aufgrund der frequenzabhängigen
Verarbeitung der Sensorsignale keine statische Kennlinie für
die Aktuatorsteuerung beziehungsweise Aktuatorregelung eingesetzt
wird, sondern eine von dem Frequenzinhalt des Bewegungsablaufs abhängige
Aktuatorsteuerung beziehungsweise Aktuatorregelung erfolgt. Hierdurch
soll das Ziel eines möglichst hohen Fahrkomforts bei einer
auch in Grenzbereichen des Fahrzustandes sicheren Auslegung des
Fahrwerks erzielt werden. Diesem Ansatz liegt der Gedanke zugrunde,
dass dem Zielkonflikt zwischen gewünschtem Fahrkomfort,
das heißt komfortable und weiche Auslegung, und Fahrdynamik,
das heißt sportliche und straffe Abstimmung, einerseits
und einer ausreichenden Fahrsicherheit andererseits entsprochen werden
soll. Für Fahrkomfort und Fahrdynamik ist eine Dämpfung
der Bewegung des Aufbaus entscheidend, während für
eine Fahrsicherheit eine Radlast beziehungsweise Radlastschwankung
entscheidend ist.
-
Bekannt
sind im Wesentlichen drei Dämpfersysteme für Fahrzeuge,
wobei einer Federanordnung zwischen Rad und Aufbau ein Aktuator
parallel geschaltet ist. Bekannt sind passive, semi-aktive und aktive
Dämpfersysteme. Bei passiven Dämpfersystemen ist
eine Veränderung der Dämpferkraft während des
Fahrbetriebes nicht vorgesehen. Bei semi-aktiven Dämpfersystemen
kann die Dämpferkraft durch eine Veränderung eines Ölfluidstromes
unter Verwendung eines oder mehrerer Ventile verändert
werden. Auf diese Art und Weise können die Dämpfungseigenschaften
verändert werden. Semi-aktive Dämpfersysteme arbeiten
rein energieabsorbierend. Bei aktiven Dämpfersystemen kann
eine gewünschte Dämpferkraft sowohl dämpfend
als auch energieeinbringend in jede Richtung bereitgestellt werden.
-
Das
Fahrwerk eines Fahrzeugs überträgt auftretende
Kräfte zwischen Fahrbahn und Fahrzeugaufbau, so dass ihm
die zentrale Bedeutung bezüglich der Fahrdynamik zufällt.
Es ist daher maßgeblich verantwortlich für die
Fahreigenschaften und bestimmt wesentlich den Fahrkomfort sowie
die Fahrsicherheit. Folglich wird versucht, durch konstruktive Maßnahmen
und durch zusätzliche Komponenten das Systemverhalten weiter
zu verbessern. So entsteht aus dem rein mechanischen Feder- und Dämpfersystem
durch die mechatronische Integration von Aktoren, Sensoren und Informationsverarbeitung
ein aktives oder semi-aktives Fahrwerk.
-
In
den Bereich von Fahrzeugfahrwerken geht es um einen hohen Fahrkomfort
und eine hohe Fahrsicherheit, wobei verschiedene Beladungs- und Fahrsituationen,
die bei Fahrzeugen zu unterschiedlichen Bewegungsformen führen
wie Hüben, Rollen, Wanken und andere, möglichst
vollständig kompensiert werden sollen. Fahrzeuge werden
durch Fahrbahnunebenheiten zu Schwingungen angeregt, die den Fahrkomfort
und die Fahrsicherheit verschlechtern. Generell wird der Fahrkomfort
des Fahrzeugs durch eine weiche Federung erhöht. Dem gegenüber steht
jedoch der Fakt, dass welch gefederte Fahrzeuge vor allem bei unbeladenem
Fahrzustand, bei Kurvenfahrten, beim Anfahren und beim Bremsen unangenehme
Schwingungseigenschaften aufweisen und häufig auch Sicherheitsrisiken
bergen. Dies gilt besonders für Fahrzeuge, die aufgrund
des Leichtbaues einen großen Gewichtsunterschied zwischen
leerem und voll beladenem Zustand aufweisen. Für den Fahrkomfort
ist insbesondere die vertikale Aufbaubeschleunigung (Hub) von Bedeutung,
bei der bei einer weichen Federung kleinere Aufbaubeschleunigungen
auftreten als bei einer harten Federung. Andererseits sollen größere Federbewegungen
durch Schwingungsdämpfer gedämpft werden; hier
wirkt sich eine große Schwingungsdämpferkraft
nachteilig auf den Fahrkomfort aus. Günstig ist somit eine
Kombination von weichen und härteren Dämpferkräften
je nach Federbewegung.
-
Das
Federbein beziehungsweise die Feder-Dämpfer-Kombination
haben folgende bewegungstechnische Funktionen: Federung des Fahrzeugs,
Begrenzung der Ein- und Ausfederwege (Zug- und Druckanschlag) sowie
Schwingungsdämpfung.
-
Beim Überfahren
einer Bodenunebenheit wird der einwirkende Stoß von der
Feder beziehungsweise dem Dämpfer aufgenommen. Diese Bauteile
verhindern, dass der Aufbau, das heißt die gefederte Masse
mit den Rädern, den ungefederten Massen in Berührung
kommt. Nach dem Zusammen- beziehungsweise Auseinanderdrücken
haben die Federn das Bestreben die gefederte von der ungefederten
Massen wegzudrücken. Der Dämpfer hat die Aufgabe,
die dabei entstehende Schwingung zu reduzieren.
-
Anschläge
werden eingesetzt um den Hub des Dämpfers und damit den
Hub der Fahrzeugfederbewegung zu begrenzen. Zuganschläge
sind meist oberhalb der Kolbenstangenkappe des Dämpfers
oder einer anderen Stelle des Fahrzeugs angebracht. Zuganschläge
befinden sich meist im Inneren des Dämpfers; sie halten
unter anderem auch die Fahrzeugachse beim Hochbocken des Fahrzeugs. Hier
unterscheidet man zwischen mechanischen, mechanisch-elastischen
und hydraulischen Anschlägen.
-
Für
extreme Federauslenkungen und für Notsituationen zum Beispiel
eine defekte Feder weisen Federbeine beziehungsweise Feder-Dämpfer-Kombinationen üblicherweise
Endlagenpuffer als Endanschlag auf. Nachteilig ist, dass in abgesenkter oder
angehobener Position zum Beispiel aufgrund unterschiedlicher Beladungszustände,
diese Endlagenpuffer bereits bei geringen Federauslenkungen in Einsatz
kommen. Das Anschlagen an die Endlagenpuffer führt zu einer
Einbuße an Fahrkomfort. Ferner können Anschlaggeräusche
auftreten. Außerdem ist das wiederholte Anschlagen auf
Dauer mit einem erhöhten Verschleiß verbunden.
-
Die
Endlage ist ein Begriff der Konstruktionstechnik. Endlagen bezeichnen
die äußersten Punkte einer translatorischen Achse.
Diese werden bei Maschinen oder in Fahrzeugen oft beeinflusst oder überwacht,
da bei einem Überfahren der Endlage mechanische Schäden
auftreten können. In der Regel geschieht dieses durch sogenannte
Endlagen oder Endlagenschalter, kann aber auch durch Drehgeber oder
lineare Messsysteme erfolgen. Übliche Bauformen für
Endlagenschalter sind zum Beispiel Rollenhebelschalter oder berührungslos
arbeitende Geräte wie Lichtschranken und Näherungsschalter oder
Initiatoren. Als Inkrementalgeber werden Sensoren zur Erfassung
von Lageänderungen (linear oder rotierend) bezeichnet,
die sowohl Wegstrecke als auch -richtung erfassen können.
Sie arbeiten photoelektrisch, magnetisch oder mit Schleifkontakten.
-
Endlagenschalter
sind beispielsweise Sensoren, die erkennen, wenn ein bewegter Gegenstand eine
bestimmte Position erreicht hat. Das erzeugte Signal kann elektrisch,
pneumatisch oder mechanisch weitergeleitet werden. Bei Ablaufsteuerungen im
Maschinenbau, die aus mehreren Arbeitsschritten bestehen, erkennen
Endlagenschalter das Ende einer Bewegung und veranlassen damit den
nächsten Schritt des Ablaufs. Sie werden auch als Sicherheitsschalter
verwendet, um Schäden an Mensch und Maschine zu verhindern.
-
Im
Dämpferbereich sind neben den Standardausführungen
auch verschiedene Dämpferausführungen bekannt.
Bei variablen last- und wegabhängigen Dämpfungen
wird durch eine Steuernut im Zylinder des Stoßdämpfers
eine Zweistufen-Dämpfung realisiert. Je nach Lage und Hub
des Dämpfers überfährt der Kolben die
Nut und das durch die Nut fließende Öl (hydraulischer
Bypass) reduziert entsprechend die Dämpfkraft.
-
Bei
aktiven und/oder semi-aktiven Luftfeder und/oder kombinierten Luftfeder-Dämpferregelungen sind
softwaregestützte Verfahren bekannt. Diese haben in der
Regel als Aufgabe das Anschlagen an einem oder mehrere Endlagenpuffer
auch im abgesenkten oder angehobenen Zustand zuverlässig
zu vermeiden. Diesbezüglich werden die einzelnen Dämpfer
in Abhängigkeit von der Lage der (Luft-)Feder so gesteuert,
dass die Dämpfkraft in der Nähe der Endlagen erhöht
wird. Dies kann zum Beispiel durch eine nichtlineare Kennlinie der
Funktion (zum Beispiel der Dämpfkraft) über den
Weg beschrieben werden. Auch ist eine getrennte Betrachtung von Zug-
und Druckstufen bekannt.
-
Nachteilig
ist, dass diese Verfahren entsprechend des Feder-/Dämpferweges
eine Verhärtung des Dämpfers vornehmen. So findet
zum Beispiel auch eine Dämpfkrafterhöhung statt,
wenn sich der Dämpfer nahe den Endlagen befindet, diese
aber auf Grund des Fahrzeugbeziehungsweise Rad-Aufbau-Bewegungszustandes
nie erreichen würde. Gerade im Bereich der Druckendlagen
führt dies zu großen Komforteinbußen
und stört einen harmonischen Schwingungsablauf.
-
Ferner
muss immer ein Kompromiss gefunden werden zwischen frühen
Einsatzbeginn und eventuellen Durchschlagen. Je früher
die Dämpfkraft vergrößert wird desto
sicherer wird ein Erreichen der Endlage vermieden aber desto größer
ist auch die Beeinflussung des Komfortverhaltens. Üblicherweise arbeiten
Steuergeräte nach dem Stand der Technik im 10 ms-Raster.
Bei einer Dämpfergeschwindigkeit von 1 m/s wird so zum
Beispiel 1 cm in einem Rechenschritt „durchfahren”.
Es sind somit große Dämpfkräfte in einem
sehr kurzen Zeitraum aufzubringen. Des Weiteren findet keine Berücksichtigung statt,
ob der Aufbau oder das Rad wesentlich für die Bewegung
Richtung Endlagen verantwortlich ist. Die Aufbaubewegung ist mit
entsprechend viel Masse aber relativ träge wohingegen die
Radbewegung sehr schnell erfolgt aber entsprechend weniger Masse
abgebremst werden muss.
-
Eine
auf dem Weg basierende Endlagendämpfung nutzt ebenfalls
nicht die im System vorliegende Information der Geschwindigkeit,
mit der eine Endlage angefahren wird. Systemimmanent liegt die Geschwindigkeit
immer zeitlich früher als der Weg. Ferner findet immer
eine Umwandlung von kinetischer in potentielle Energie und umgekehrt
statt. Betrachtet man nun ausschließlich den Weg, so nimmt man
im Wesentlichen die potentiellen Informationen, die kinetischen
gehen verloren. Dies ist zum Beispiel insbesondere nachteilig, wenn
sich auf Grund einer sehr starken Anregung der Dämpfer
von einer Endlage in die andere bewegt. Berücksichtigt
man nun ausschließlich den Weg so wird zunächst
die Dämpfung in Endlage 1 erhöht sein, nimmt dann
ab Richtung Nulldurchgang und nimmt wieder zu Richtung Endlage 2.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein
System der gattungsgemäßen Art anzugeben, mittels
denen in einfacher und sicherer Weise eine Regelung der Bewegung
eines Fahrzeugaufbaus mit elektronisch ansteuerbaren Aktuatoren
(Dämpfern) möglich ist.
-
Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen
gelöst. Dadurch, dass aus den Sensorsignalen unter Berücksichtigung
von energetischen Informationen des Fahrzeugsaufbaus und/oder von Rädern
des Fahrzeuges mittels zustandsabhängiger Regelalgorithmen
das wenigstens eine Steuersignal zur Ansteuerung der Aktuatoren
ermittelt wird, wobei eine Dampferkraft in der Endlage der Aktuatoren
beeinflusst wird
-
Die
Erfindung beruht auf dem Ansatz eine Endlagendämpfung auf
Basis des Energiegehaltes des Systems zu realisieren.
-
Zur
Ermittlung der Energie, beziehungsweise ihres Betrags, werden Hilfsgrößen
gemessen, da die Energie selbst nicht messbar ist. Energie ist,
unabhängig von ihrer Energieform, eine charakteristische
Größe für den Zustand eines Systems,
das heißt eine Zustandsgröße.
-
Die
Energie eines mechanischen Systems kann immer als Summe von kinetischer
und potentieller Energie dargestellt werden Eges = Ekin + Epot = const (Gleichung 1)
-
Kinetische
Energie wird durch die Bewegung eines Systems gegenüber
einem anderen System und durch seine Masse (m) beziehungsweise sein Trägheitsmoment
(J) bestimmt und setzt sich aus Translationsgeschwindigkeiten (v)
und/oder Rotations-/Winkelgeschwindigkeiten (w) zusammen: Ekin = 0.5 ×m × v2 +
0.5 × J × w2 (Gleichung 2)
-
Als
potentielle Energie bezeichnet man die Energie, die ein System durch
seine Lage im Kraftfeld besitzt, zum Beispiel auch im Gravitationsfeld
der Erde, und wird bestimmt durch seine Lage (s) und seine Beschleunigung
(a) beziehungsweise die Erdbeschleunigung (g): Epot = m × g × s (Gleichung 3)
-
Als
Arbeit bezeichnet man in der Physik eine Energiemenge, die von einem
System in ein anderes übertragen wird, wobei die Übertragung
im klassischen Sinn durch das Wirken einer Kraft entlang eines Weges
erfolgt. Die wichtigsten Ursachen für Energieänderungen
sind Kraftfelder. Somit entspricht zum Beispiel die Hubarbeit der
potentiellen Energie im Gravitationsfeld. Die Beschleunigungsarbeit
entspricht der kinetischen Energie, die zum Beispiel benötigt
wird um einen Körper von der Geschwindigkeit v1 auf die
Geschwindigkeit v2 zu beschleunigen.
-
Je
nach potentiellem und/oder kinetischem Energiegehalt soll entsprechend
die Dämpfung erhöht werden.
-
Besonders
bevorzugt ist, dass entsprechend Gleichung 1 die gesamte im System
vorliegende/gespeicherte Energie betrachtet wird. Damit kann bei einer
großen Anregung die Energie kontinuierlich aus dem System
entfernt werden und nicht nur an den Endlagen.
-
In
weiteren bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
ist die potentiellen und die kinetischen Energieanteile mit Faktoren
zu bewerten um so eine Gewichtung einzuführen. Gleichung
2 besteht bei rein translatorischen Systemen nur aus dem ersten
translatorischen Anteil. Bei anders gelagerten Systemen kann aber
der rotatorische Anteil mit berücksichtigt werden. Gleichung
2 und 3 können nun in unterschiedlichen Ausprägungen
mit den unterschiedlichen Massen (Aufbau mA und Rad mR) als auch
den unterschiedlichen Geschwindigkeiten (Aufbaugeschwindigkeit vA,
Radgeschwindigkeit vR, Relativ- /Dämpfergeschwindigkeit
vD = vA – vR) aufgebaut werden. Somit sind die unterschiedlichsten
Ansprüche in den Kombinationen realisierbar. Bevorzugt
ist eine Kombination beziehungsweise Gewichtung von zum Beispiel
Aufbauanteilen (mit mA, sA, vA, aA, und andere) mit Rad- oder Dämpferanteilen (mit
mR, sR, vR, aR, und andere).
-
Somit
können die unterschiedlichen Bewegungen (aufbaudominant
und/oder raddominant) abgebildet und entsprechend berücksichtigt
werden. Die Aufbaumasse kann als feste Größe eingespeist werden
oder je nach Beladungszustand auch angepasst werden. Bezüglich
der Beschleunigung kann eine Worst-Case-Abschätzung stattfinden,
bei der zum Beispiel für den Aufbau nicht die reale Beschleunigung
Verwendung findet sondern die Erdbeschleunigung als konstante Größe
benutzt wird. Entsprechend kann das Rauschen auf dem Signalverlauf
reduziert werden. Für Druck- und Zugendlagen können in
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung unterschiedliche
Strategien umgesetzt werden. Unter anderem kann auch eine entsprechende
Aufbau-/Raddominanz festgelegt werden.
-
Ferner
ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die Energien
zustandsabhängig zu gewichten. Zum Beispiel ist es häufig
vorteilhaft, den Zustand der Fahrzeuggeschwindigkeit mit zu berücksichtigen.
Weiterhin können bevorzugt andere im System vorliegende
Energie- beziehungsweise Straßeninformationen genutzt werden.
Wenn man sich zum Beispiel auf einer schlechten Straße befindet
stört ein früher Endlageneinsatz den Schwingungskomfort
deutlich weniger als auf einer guten Straße. Diese Zustandsinformationen
können vorteilhafterweise in Form von Faktoren in die Gleichungen
für die potentiellen und/oder kinetischen Energieanteile
mit einfließen.
-
Die
für die Energieanteile notwendigen Signalinformationen
können zum Beispiel durch die im System vorliegenden Sensoren
wie Weg- und/oder Beschleunigungssensoren bereitgestellt werden. Aus
den Weg- und/oder Beschleunigungsinformationen können die
Geschwindigkeiten entsprechend durch mathematische Verfahren ermittelt
werden. Ebenso ist es möglich, wenn beispielsweise nur Wegsensoren
vorliegen, die Aufbauinformationen entweder durch Beobachtermodelle
oder aber durch entsprechende Filter zu erlangen.
-
Das
vorliegende Verfahren bietet ferner die Möglichkeit zur
Selbstadaption. Schwerere Fahrzeuge weisen größere
Massen auf und dementsprechend auch andere Wege, Geschwindigkeiten
und Beschleunigungen.
-
Als
Ausgangsgröße der Endlagendämpfung kann
bevorzugt sowohl die Aktorstellgröße wie beispielsweise
ein Strom als auch die Aktorausgangsgröße wie
eine Kraft Verwendung finden.
-
Es
bietet sich ferner eine Kopplung mit einer Luftfeder an, da hier
eine Höhenverstellung direkt realisiert und beeinflusst
wird.
-
Die
erfindungsgemäße Endlagen-Regeleinrichtung kann
eine Ergänzung des Bausteins einer Feder- und/oder Dämpferregelung
sein und zu anderen Modulen überlagernd wirken. Dementsprechend kann über
Entscheiderstrukturen bestimmt werden, welches Modul dominant ist,
zum Beispiel Endlagendämpfung oder Vertikalregelung, beziehungsweise wie
eine Wichtung der einzelnen Module erfolgt.
-
Durch
die vorliegende Erfindung ergibt sich eine Reihe von Vorteilen:
Durch
die vorgeschlagene Endlagenverhärtung werden die Zug- und
Druckanschläge des Federbeins und/oder Dämpfers
vor einer Beschädigung bei zu großen Kräften
geschützt. Eventueller Verschleiß wird ebenfalls
reduziert. Somit besteht die Möglichkeit einer Bauteilreduktion.
Ferner kann die Akustik verbessert werden, da gerade Endlagengeräusche häufig
negativ auffällig werden. Auf Endlagenpuffer kann weitgehend
verzichtet werden. Es kann ein größerer Schwingungskomfort
realisiert werden, da die Dämpfung nun energie- und zustandsbasiert
erfolgt. Somit findet nicht immer eine Verhärtung statt
sondern nur wenn es der Systemzustand erfordert. Es kann auch entsprechend
gewichtet werden, dass ein „leichtes” Erreichen
der Endlagen kombiniert inkl. eines geringen Geräuschinputs
kombiniert wird mit einem ansonsten besseren Vertikalschwingungskomfort.
Einflüsse wie Beladungs- und Fahrbahnzustand können
direkt bei der Endlagendämpfung berücksichtigt
werden. Insgesamt ergibt sich ein verbessertes Systemverhalten bei
geringeren Kosten.
-
Die
Aufgabe wird ferner durch ein System zur Beeinflussung der Bewegung
eines in seinen Bewegungsabläufen steuerbaren oder regelbaren
Fahrzeugaufbaus eines Kraftfahrzeuges mit den in Anspruch 16 genannten
Merkmalen gelöst. Dadurch, dass der Dämpferregler
die Regelungsmodule umfasst, mittels denen aus den Sensorsignalen
unter Berücksichtigung von momentanen und/oder erwarteten
Zuständen, in Abhängigkeit von wählbaren
Anforderungen an die Bewegung des Fahrzeugaufbaus und Fahrsicherheitsanforderungen,
wenigstens ein Steuersignal für die Aktuatoren generierbar
ist, ist vorteilhaft möglich, den Dämpferregler
modular aufzubauen und in im Fahrzeug bestehende Systeme, beispielsweise
in ein Steuergerät, in einfacher Art und Weise zu integrieren,
wobei insbesondere eine Endlagerdämpfung in einfacher Weise
integriert werden kann.
-
Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 schematisch
ein Kraftfahrzeug mit einer Dämpferregelung;
-
2 eine
Prinzipskizze eines Kraftfahrzeuges mit vertikalen Eck-Aufbaugeschwindigkeiten;
-
3 eine
Prinzipskizze eines Kraftfahrzeuges mit vertikalen Modal-Aufbaugeschwindigkeiten;
-
4 eine
Prinzipskizze eines Kraftfahrzeuges mit im Dämpfersystem
angeordneten Sensoren und den resultierenden Rad-, Aufbau- und Dämpfergeschwindigkeiten;
-
5 eine
Grobstruktur der Funktionsmodule einer Dämpferregelung;
-
6 ein
Blockschaltbild eines Standardregelkreises;
-
7 ein
Blockschaltbild eines erweiterten Regelkreises;
-
8 eine Übersicht
energiebasierter Endlagerregelung;
-
9 eine
energiebasierte Endlagerregelung mit unterschiedlichen Aufbau- und
Radanteilen und
-
10 ein
Beispielrechnungsablauf zur Ermittlung der Zustandsgröße
mit einer zusätzlichen Korrektur der Eingangsgrößen über
Zustandsgrößen wie Fahrzustand Straßenzustand
und anderem ab.
-
1 zeigt
schematisch in Draufsicht ein insgesamt mit 10 bezeichnetes
Kraftfahrzeug. Aufbau und Funktion von Kraftfahrzeugen sind allgemein
bekannt, so dass im Rahmen der vorliegenden Beschreibung hierauf
nicht näher eingegangen wird.
-
Das
Kraftfahrzeug 10 besitzt vier Räder 12, 14, 16 und 18.
Die Räder 12, 14, 16 und 18 sind über eine
bekannte Radaufhängung an einem Aufbau 20 des
Kraftfahrzeuges 10 befestigt. Unter Aufbau 20 wird
im Rahmen der Erfindung allgemein die Fahrzeugkarosserie mit der
Fahrgastzelle verstanden. Zwischen den Rädern 12, 14, 16 und 18 einerseits und
dem Aufbau 20 ist jeweils ein Dämpfer 22, 24, 26 beziehungsweise 28 angeordnet.
Die Dämpfer 22, 24, 26 und 28 sind
parallel zu nicht dargestellten Federn angeordnet. Die Dämpfer 22, 24, 26 und 28 sind beispielsweise
als semi-aktive Dämpfer ausgebildet, das heißt
durch Anlegen eines Steuersignals an ein Stellmittel der Dämpfer
kann die Dämpferkraft variiert werden. Das Stellmittel
ist üblicher Weise als elektromagnetisches Ventil ausgebildet,
so dass das Stellsignal ein Steuerstrom für das Ventil
ist.
-
Jedem
Rad beziehungsweise jedem Dämpfer ist ein Wegsensor 30, 32, 34 beziehungsweise 36 zugeordnet.
Die Wegsensoren sind als Relativwegsensoren ausgebildet, das heißt
diese messen eine Veränderung des Abstandes des Aufbaus 20 von
dem jeweiligen Rad 12, 14, 16 beziehungsweise 18.
Typischerweise werden hier sogenannte Drehwinkel-Wegsensoren eingesetzt,
deren Aufbau und Funktion allgemein bekannt sind.
-
Der
Aufbau 20 umfasst ferner drei an definierten Punkten angeordnete
Vertikalbeschleunigungssensoren 38, 40 und 42.
Diese Beschleunigungssensoren 38, 40 und 42 sind
fest an dem Aufbau 20 angeordnet und messen die Vertikalbeschleunigung
des Aufbaus im Bereich der Räder 12, 14 beziehungsweise 18.
Im Bereich des linken hinteren Rades 16 kann die Beschleunigung
aus den drei anderen Beschleunigungssensoren rechnerisch ermittelt
werden, so dass hier auf die Anordnung eines eigenen Beschleunigungssensors
verzichtet werden kann.
-
Die
Anordnung der Sensoren ist hier lediglich beispielhaft. Es können
auch andere Sensoranordnungen, beispielsweise ein vertikaler Aufbaubeschleunigungssensor
und zwei Drehwinkelsensoren oder dergleichen, zum Einsatz kommen.
-
Das
Kraftfahrzeug 10 umfasst ferner ein Steuergerät 44,
das über Signal- beziehungsweise Steuerleitungen mit den
Stellmitteln der Dämpfer 22, 24, 26 und 28,
den Wegsensoren 30, 32, 34 und 36 und
den Beschleunigungssensoren 38, 40 und 42 verbunden
ist. Das Steuergerät 44 übernimmt die nachfolgend
noch näher zu erläuternde Dämpferregelung.
Daneben kann das Steuergerät 44 selbstverständlich
auch weitere, hier nicht zu betrachtende Funktionen innerhalb des
Kraftfahrzeuges 10 übernehmen. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst
ferner ein Schaltmittel 46, beispielsweise einen Taster,
ein Drehrad oder dergleichen, mittels dem von einem Fahrzeugführer
eine Anforderung an die Bewegung des Aufbaus 20 gewählt
werden kann. Hier kann beispielsweise zwischen der Anforderung „Komfort”,
der Anforderung „Sport” und der Anforderung „Basis” gewählt
werden. Die Wahl ist entweder stufenförmig zwischen den
drei Modi oder stufenlos mit entsprechenden Zwischenmodi möglich.
-
Das
Schaltmittel 46 ist ebenfalls mit dem Steuergerät 44 verbunden.
-
2 zeigt
eine Prinzipskizze des Kraftfahrzeuges 10, wobei hier der
Aufbau 20 als ebene Fläche angedeutet ist. An
den Ecken des Aufbaus 20 sind jeweils die Räder 12, 14, 16 und 18 über
eine Feder-Dämpfer-Kombination in an sich bekannter Art und
Weise angeordnet. Die Feder-Dämpfer-Kombination besteht
aus den Dämpfern 22, 24, 26 und 28 und
jeweils parallel geschalteten Federn 48, 50, 52 und 54.
An den Ecken des Aufbaus 20 sind die in 1 dargestellten
Beschleunigungssensoren 38, 40 beziehungsweise 42 angeordnet,
mittels denen die vertikale Geschwindigkeit an den Ecken des Aufbaus 20 bestimmt
werden kann. Hierbei handelt es sich um die Geschwindigkeiten vA_vl
(Geschwindigkeit Aufbau vorne links), vA_vr (Geschwindigkeit Aufbau
vorne rechts), vA_hl (Geschwindigkeit Aufbau hinten links) und vA_hr
(Geschwindigkeit Aufbau hinten rechts). Die Geschwindigkeit kann
aus den mittels der Beschleunigungssensoren gemessenen Beschleunigungen
durch Integration errechnet werden.
-
3 zeigt
wiederum die Prinzipskizze des Kraftfahrzeuges 10, wobei
gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen und nicht nochmals erläutert sind. In einem Schwerpunkt 56 sind
die Modalbewegungen des Aufbaus 20 verdeutlicht. Dies ist
einerseits ein Hub 58 in vertikaler Richtung (z-Richtung),
ein Nicken 61, das heißt eine Drehbewegung um
eine in der y-Achse liegende Querachse, und ein Wanken 63,
das heißt eine Drehbewegung um eine in der x-Achse liegende
Längsachse des Kraftfahrzeuges 10.
-
4 zeigt
eine weitere Prinzipskizze des Kraftfahrzeuges 10, wobei
hier, in Ergänzung zu der Darstellung in 2,
weitere Signale dargestellt sind. Zusätzlich sind hier
die Dämpfergeschwindigkeiten vD dargestellt, wobei vD_vl
die Dämpfergeschwindigkeit für den Dämpfer 22 (vorne
links), vD_vr die Dämpfergeschwindigkeit für den
Dämpfer 24 (vorne rechts), vD_hl die Dämpfergeschwindigkeit
für den Dämpfer 26 (hinten links) und
vD_hr die Dampfergeschwindigkeit für den Dämpfer 28 (hinten rechts)
ist. Die Dämpfergeschwindigkeiten können über
eine Differenzierung aus den Signalen der Wegsensoren 30, 32, 34 beziehungsweise 36 (1)
ermittelt werden. In 4 sind ferner die Radgeschwindigkeiten
vR angedeutet. Hier steht Geschwindigkeit vR_vl für das
Rad 12 (vorne links), vR_vr für das Rad 14 (vorne
rechts), vR_hl für das Rad 16 (hinten links) und
vR_hr für das Rad 18 (hinten rechts). Die Radgeschwindigkeiten
vR können beispielsweise über Radbeschleunigungssensoren ermittelt
werden.
-
Da
sowohl die Aufbaugeschwindigkeiten VA, die Dämpfergeschwindigkeiten
vD und die Radgeschwindigkeiten vR alle den gleichen Richtungsvektor
besitzen (in z-Richtung), besteht der Zusammenhang vD = vA – vR.
Hierdurch müssen nicht alle Messgrößen
in Form von Messsignalen vorliegen, sondern können aus
den anderen Messgrößen errechnet werden.
-
Aufbau
und Funktion von geregelten Dämpfern sind allgemein bekannt,
so dass im Rahmen der vorliegenden Beschreibung hierauf nicht näher
eingegangen wird. Hierbei kommen entweder semi-aktive Dämpfer
oder aktive Dämpfer zum Einsatz. Entscheidend ist, dass über
eine Beeinflussung der Dämpfergeschwindigkeit die Dämpferkraft
eingestellt werden kann. Die Dämpferkraft wirkt parallel
zu den Kräften der Federn (vergleiche 2 bis 4),
so dass hierüber die Bewegung des Aufbaus 20 in
seinen Bewegungsabläufen beeinflusst werden kann. Zur Beeinflussung
der Dämpfergeschwindigkeit ist an den Dämpfern
ein elektromagnetisches Ventil oder ein anderes geeignetes Ventil
angeordnet, das durch Anlegen eines entsprechenden Steuerstromes ein
Durchflussquerschnitt für ein Medium, insbesondere ein
Hydrauliköl, beeinflusst werden.
-
Anhand
der bisherigen Erläuterungen wird deutlich, dass es für
eine effektive Regelung des Bewegungsablaufes des Aufbaus auf die
Bereitstellung eines Stellstromes für das Steuermittel
der Dämpfer ankommt. Nachfolgend wird auf die Bereitstellung dieses
Stellstromes unter Berücksichtigung der Umsetzung der erfindungsgemäßen
Lösungen näher eingegangen.
-
5 zeigt
in einem Blockschaltbild eine Grobstruktur der Funktionsmodule zur
erfindungsgemäßen Dämpferregelung. Die
einzelnen Module sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
und Verständlichkeit gekapselt dargestellt. Die gesamte
Struktur ist vorteilhafterweise hierarchisch über mehrere
Ebenen aufgebaut. Die Funktionsmodule sind in einem Dämpferregler,
vorzugsweise dem Steuergerät 44 (1)
integriert. Die Dämpferregelung umfasst ein Signaleingangsmodul 60,
ein Hilfsfunktionsmodul 62, ein Reglermodul 64,
ein Auswertemodul 66 und ein Signalausgangsmodul 68.
In dem Signaleingangsmodul 60 werden die Sensorsignale
der Wegsensoren 30, 32, 34 beziehungsweise 36 und
der Beschleunigungssensoren 38, 40 und 42 sowie
weitere, über den CAN-Bus des Kraftfahrzeuges zur Verfügung
stehende, Signale eingelesen. Das Hilfsfunktionsmodul 62 umfasst
ein Man-Machine-Interfacemodul 70, ein Filtermodul 72 und
ein Beladungserkennungsmodul 74.
-
Das
Reglermodul 64 umfasst ein Straßenerkennungsmodul 76,
ein Endlagendämpfungsmodul 78, ein Querdynamikmodul 80,
ein Längsdynamikmodul 82 sowie ein Vertikaldynamikmodul 84.
Das Auswertelogikmodul 66 umfasst ein Stromberechnungsmodul 86.
Die Reglermodule 76, 78, 80, 82 und 84 generieren
vorteilhafterweise einen Strom, oder eine Größe,
die proportional zum Strom ist. Im Stromberechnungsmodul 86 findet
die Stromberechnung aller Reglerausgangsgrößen
zu Steuergrößen für die Dämpfer 22, 24, 26 beziehungsweise 28 statt. Über das
Signalausgangsmodul 68 werden diese Stellströme
den Dämpfern zur Verfügung gestellt. Sowohl das Signaleingangsmodul 60 als
auch das Signalausgangsmodul 68 können optional
selbstverständlich auch weitere Signale empfangen beziehungsweise ausgeben,
je nach Ausstattung des betreffenden Kraftfahrzeuges.
-
In 6 ist
ein Standardregelkreis dargestellt. Dieser besteht aus einer Strecke 90,
einem Regler 92 und einer negativen Rückkopplung
der Regelgröße, das heißt des Istwertes
auf dem Regler 92. Die Regeldifferenz wird aus der Differenz
zwischen Sollwert (Führungsgröße) und
Regelgröße berechnet. Die Stellgröße
wirkt auf die Strecke 90 und damit auf die Regelgröße.
Die Störgröße bewirkt eine, normalerweise
unerwünschte, Veränderung der Regelgröße,
die kompensiert werden muss. Die Eingangsgröße
des Reglers 92 ist die Differenz aus dem gemessenen Istwert
der Regelgröße und dem Sollwert. Der Sollwert
wird auch als Führungsgröße bezeichnet,
dessen Wert durch den gemessenen Istwert nachgebildet werden soll.
Da der Istwert durch Störgrößen verändert
werden kann, muss der Istwert dem Sollwert nachgeführt
werden. Eine in einem Vergleicher 94 festgestellte Abweichung
des Istwertes von dem Sollwert, die sogenannte Regeldifferenz, dient
als Eingangsgröße für den Regler 92.
Durch den Regler 92 wird festgelegt, wie das Regelungssystem
auf die festgestellten Abweichungen reagiert, beispielsweise schnell,
träge, proportional, integrierend oder dergleichen. Als
Ausgangsgröße des Reglers 92 ergibt sich
eine Stellgröße, welche auf eine Regelstrecke 90 Einfluss
nimmt. Die Regelung dient hauptsächlich zur Beseitigung
von Störgrößen, um diese auszuregeln.
-
In 7 ist
eine detailliertere Darstellung des Regelkreises gemäß 6 dargestellt.
Es ist ein erweiterter Regelkreis mit den zusätzlichen
Elementen Stellglied 96 und Messglied 98 gezeigt.
Im Beispiel der erfindungsgemäßen Dämpferregelung
setzt sich die Stelleinrichtung beziehungsweise das Stellglied 96 aus
einer elektronischen Komponente und einer elektrohydraulischen Komponente
zusammen. Die elektronische Komponente entspricht dem Stromregler
im Steuergerät 44, während die elektro-hydraulische
Komponente dem elektrisch ansteuerbaren Ventil der Dämpfer 22, 24, 26 beziehungsweise 28 entspricht.
In den nachfolgenden Ausführungen sollen diese jedoch nicht
weiter betrachtet werden. Diese werden als ideal angenommen beziehungsweise
ihr Einfluss wird vernachlässigt. Somit stimmt idealisiert
der Reglerausgang, der die Steuergröße liefert,
mit der Stellgröße überein oder ist zu dieser
zumindest proportional. Der Regler 92 gemäß 15 ist hierbei aufgeteilt in den eigentlichen
Regler 92 und das Stellglied 96. Der Regler 92 dient
dazu, eine Größe zu bestimmen, mit der auf eine
durch den Vergleicher 94 festgestellte Regeldifferenz über das
Stellglied 96 reagiert werden soll. Das Stellglied 96 liefert
die notwendige Energie in der geeigneten physikalischen Form, um
auf den Prozess beziehungsweise die Regelstrecke einzuwirken. In
dem Messglied 98 wird der Istwert gemessen. Die Störgröße
kann bei einer Regelung der Bewegung eines Fahrzeugaufbaus 20 in
Unebenheiten der Fahrbahn, seitlich wirkenden Kräften,
wie beispielsweise Wind oder dergleichen, oder ähnlichen
Einflüssen begründet sein.
-
8 zeigt
in einem Blockschaltbild die Bereitstellung der energetischen Informationen
für das Endlagenmodul 78. In einem Modul 100 wird
die kinetische Energie e_kin und in einem Modul 102 die potentielle
Energie e_pot berechnet. Als Eingangssignale stehen die Geschwindigkeit
v, der Weg s und die Beschleunigung a sowie die Masse m zur Verfügung.
Die Berechnung erfolgt entsprechend der Gleichungen 2 und 3. Über
ein Kombinationsglied 104 werden die berechneten kinetischen
Energien e_kin und die berechnete potentielle Energie e_pot zu einer Gesamtenergie
e_ges zusammengefasst und dem Endlagenmodul 78 zur Ermittlung
einer Steuergröße y_endl für die Ansteuerung
der Dämpfer zur Verfügung gestellt.
-
9 verdeutlicht,
dass die Berechnung der energetischen Informationen für
den Fahrzeugaufbau 20 und die Räder 12, 14, 16, 18 zunächst
getrennt erfolgt. Die von den Sensoren gelieferten Signale werden über
Filtermodule 106 beziehungsweise 108 geführt,
so dass die entsprechenden aufbaurelevanten beziehungsweise radrelevanten
Eingangssignale vA, sA, aA beziehungsweise vR, sR, aR zur Verfügung
stehen. Anschließend erfolgt die getrennte Verarbeitung,
wie bereits zu 8 erläutert. Das Gesamtenergiesignal
e_ges_A für den Aufbau 20 und das Gesamtenergiesignal
e_ges_R für die Räder werden dann einem Kombinierungsglied 110 zugeführt
und zu dem Gesamtenergiesignal eges kombiniert, dass dann am Endlagenmodul 78 anliegt.
-
Gemäß 10,
kann vor der Berechnung der kinetischen Energie e_kin beziehungsweise
der potentiellen Energie e_pot eine zustandsabhängige Korrektur
der Eingangsgrößen v, s und/oder a erfolgen. Hier
kann in einem Korrekturmodul 112 beispielsweise ein Straßenzustand
Str, ein Fahrzustand Fahr oder dergleichen Berücksichtigung
finden.
-
- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Rad
- 14
- Rad
- 16
- Rad
- 18
- Rad
- 20
- Aufbau
- 22
- Dämpfer
- 24
- Dämpfer
- 26
- Dämpfer
- 28
- Dämpfer
- 30
- Wegsensor
- 32
- Wegsensor
- 34
- Wegsensor
- 36
- Wegsensor
- 38
- Beschleunigungssensoren
- 40
- Beschleunigungssensoren
- 42
- Beschleunigungssensoren
- 44
- Steuergerät
- 46
- Schaltmittel
- 48
- Feder
- 50
- Feder
- 52
- Feder
- 54
- Feder
- 56
- Schwerpunkt
- 58
- Hub
- 60
- Signaleingangsmodul
- 61
- Nicken
- 62
- Hilfsfunktionsmodul
- 63
- Wanken
- 64
- Reglermodul
- 66
- Signalausgangsmodul
- 68
- Signalausgangsmodul
- 70
- Man-Machine-Interfacemodul
- 72
- Filtermodul
- 74
- Beladungserkennungsmodul
- 76
- Straßenerkennungsmodul
- 78
- Endlagendämpfungsmoduls
- 80
- Querdynamikmodul
- 82
- Längsdynamikmodul
- 84
- Vertikaldynamikmodul
- 86
- Stromberechnungsmodul
- 90
- Strecke
- 92
- Regler
- 94
- Vergleicher
- 96
- Stellglied
- 98
- Messglied
- 100
- Kombinationseinheit
- 102
- Einzelregler
- 104
- Modulelemente
- 106
- Modulelemente
- 108
- Kombinationseinheit
- 110
- Fehlerdiagnosemodul
- 112
- Regleranpassungsmodul
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-