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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Einstellung des Wankverhaltens eines Kraftfahrzeugs.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, das Roll- bzw. Wankverhalten von Kraftfahrzeugen mittels passiver Stabilisatoren an der Vorder- und/oder Hinterachse zu beeinflussen. Der Stabilisator besteht dabei zumeist aus einem in etwa U-förmig gebogenen Rundstab mit 10 bis 60 mm Durchmesser. Ein mittlerer Abschnitt des Stabilisators ist am Fahrzeugaufbau oder einem an diesem befestigten Hilfsrahmen drehbar über Gummilager abgestützt, wohingegen abgewinkelte Endabschnitte mit der Radaufhängung gekoppelt sind. Hierdurch wirken Hebelkräfte, die einseitig auftreten, ausgleichend auf die gegenüberliegende Seite. Stabilisatoren verbessern die Spurtreue und damit das Fahrverhalten eines Fahrzeugs. Gleichzeitig vermindern sie die Neigung des Fahrzeugaufbaus und reduzieren seitliche Wankbewegungen. Die verbesserte Spurtreue macht Kurvenfahrten sicherer und komfortabler.
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Mittels sogenannter aktiver Stabilisatoren lässt sich ein um die Längsachse des Fahrzeugs wirkendes Moment einkoppeln, das beispielsweise dazu genutzt werden kann, um bei verstärkter Wankneigung des Fahrzeugaufbaus der Wankneigung entgegenzuwirken, das heißt den Fahrzeugaufbau zu horizontieren. Dazu werden die Stabilisatoren an den Fahrzeugachsen in jeweils zwei Teilabschnitte aufgetrennt und an ihren beiden getrennten Enden über einen Aktuator miteinander verbunden. Beim Durchfahren einer Kurve kann durch eine über den Aktuator veranlasste Aktivierung des Stabilisators, d. h. das Einbringen eines Torsionsmoments zwischen den getrennten Enden des Stabilisators, die Schrägstellung des Fahrzeugaufbaus (Wanken) vermindert werden. Bei Geradeausfahrt wird der Stabilisator hingegen deaktiviert. Herkömmliche Stabilisatorkonzepte sehen auch bei Geradeausfahrt eine Wirkverbindung der getrennten Stabilisatorenden über den Aktuator vor. Jedoch erfolgt in diesem Fall kein zusätzlicher Drehmomenteintrag.
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Der Drehmomenteintrag kann sowohl über einen elektrischen als auch über einen hydraulischen Aktuator erfolgen. Beispiele hierfür finden sich unter anderem in der
DE 196 29 582 A1 , der
DE 198 36 674 C1 , der
DE 102 10 306 A1 und der
DE 102 33 499 A1 . Dieses Konzept wird bei Straßenfahrzeugen zur Wankstabilisierung eingesetzt und zielt darauf ab, eine starke Verschränkung der Räder einer Achse zu vermeiden. Der Schwerpunkt der liegt hierbei in der Horizontierung des Fahrzeugsaufbaus und der Beeinflussung der Über- und Untersteuerungstendenz des Fahrzeugs durch wechselweises Verändern der Wankrate an den Fahrzeugachsen in Abhängigkeit von Fahrzeugbetriebsparametern.
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Bei der Einstellung des Wankverhaltens stellt die Ermittlung des erforderlichen Stellmoments des bzw. der Aktuatoren ein wesentliches Problem dar. Hierbei sind zwei Kernaufgaben zu bewältigen, nämlich einerseits die Ermittlung eines gewünschten Wankverhaltens und andererseits die Berechnung der erforderlichen Wankeingriffe.
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In der
DE 10 2007 005 983 A1 wird in diesem Zusammenhang ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Aktuators in einer Stabilisatoranordnung vorgeschlagen, bei dem auf der Grundlage von Sensoren, welche die Bewegungen des Fahrzeugaufbaus relativ zu einer Radbewegung erfassen, ein Stellsignal für den Aktuator generiert wird. Die Sensoren umfassen Radsensoren sowie einen Fahrzeugaufbausensor. Weiterhin wird die Verdrehstellung des elektrischen Aktuators erfasst. Aus der gemessenen Winkelstellung sowie deren zeitlicher Änderung werden zusätzliche Stellsignalkomponenten generiert, welche dazu dienen, abrupte Änderungen des Stellsignals zu dämpfen und damit ein komfortableres Fahrverhalten zu erzielen.
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Aus der gattungsgemäßen
DE 10 2007 017 245 A1 ist eine Vorrichtung zur Wankstabilisierung eines Fahrzeugs bekannt. Dabei umfasst die Vorrichtung einen Aktuator zum Einleiten eines Moments in den Aufbau um eine Fahrzeuglängsachse. Die Vorsteuerung zum Erzeugen der Stellkomponente für den Aktuator erfolgt in Abhängigkeit der Querbeschleunigung, welche auf Grundlage eines Fahrdynamikmodells berechnet wird. Eine Vorrichtung zur Wankstabilisierung ähnlichen Aufbaus offenbart zudem die
EP 0 933 239 A1 .
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Die
US 2009 / 0 037 051 A1 und
US 2008 / 0 215 210 A1 zeigen ebenfalls Vorrichtungen zur Wankstabilisierung mit Aktuatoren am Fahrzeugaufbau. Die Stellkomponenten für die Aktuatoren werden unter anderen in Abhängigkeit einer das Wankverhalten des Fahrzeugs charakteristischen Größe angesteuert.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Einstellung des Wankverhaltens eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, die ein hochdynamisches Ansprechen ermöglicht und damit eine gute Performance hinsichtlich eines Wankausgleichs insbesondere auch bei geringen Wankwinkeln bietet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einstellung des Wankverhaltens eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Aktuator zur Einleitung eines Moments um eine Fahrzeuglängsachse in einen Fahrzeugaufbau, einen Fahrdynamikbeobachter auf der Grundlage eines Fahrdynamikmodells des Fahrzeugs, der aus Fahrgeschwindigkeit und Lenkradwinkel die Querbeschleunigung des Fahrzeugs sowie eine das Wankverhalten des Fahrzeugs charakterisierende Größe berechnet, eine Vorsteuerung zur Erzeugung einer ersten Stellsignalkomponente für den Aktuator auf der Grundlage der von dem Fahrdynamikbeobachter bereitgestellten Querbeschleunigung, und einen Regler, an dem als Eingangsgröße die Differenz der von dem Fahrdynamikbeobachter bereitgestellten, das Wankverhaltens charakterisierenden Größe und einer entsprechenden gemessenen Größe anliegt und der als Ausgangsgröße eine zweite Stellsignalkomponente für den Aktuator bereitstellt, wobei die Stellsignalkomponenten als kombiniertes Signal dem Aktuator als Eingangsgröße aufgeschaltet sind.
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Die Kombination von Vorsteuerung und Regler im Verbund mit einem Fahrdynamikbeobachter gestattet einen hochdynamischen Wankausgleich. In der Vorsteuerung erfolgt dabei die Grundeinstellung der Stellgröße für den Aktuator anhand der Querbeschleunigung des Fahrzeugs. Die Querbeschleunigung wird durch Rückgriff auf den Fahrdynamikbeobachter rauschfrei und unverzögert erhalten. Hierdurch kann die Vorsteuerung sehr effektiv die nachfolgende Regelung entlasten, was zu einem harmonischen Fahrverhalten führt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
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So kann beispielsweise die das Wankverhalten charakterisierende Größe durch den Wankwinkel, die Wankwinkelgeschwindigkeit und die Wankwinkelbeschleunigung oder eine Kombination hieraus dargestellt werden, wodurch die tatsächliche Fahrzeugreaktion unmittelbar als Eingangsgröße in die Regelung miteinbezogen ist. Hierdurch ist die Fehleranfälligkeit gering.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt an der Vorsteuerung als einzige Eingangsgröße die Querbeschleunigung an. Hierdurch kann die von der Vorsteuerung bereitgestellte Stellsignalkomponente, welche im Regelfall die Hauptkomponente des Stellsignals des Aktuator darstellt, hochdynamisch erstellt werden. Etwaige Abweichungen von einem Soll-Wankwinkel können mittels des Reglers ausgeregelt werden.
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Die Vorsteuerung kann dabei so konfiguriert sein, dass der Zusammenhang zwischen Eingangsgröße und Ausgangsgröße der Vorsteuerung linear ist. Der Vorsteuerung liegt dabei ein lineares Wankdynamikmodell zugrunde.
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In Abhängigkeit der Querbeschleunigung kann ein definierter Wankwinkel vorgegeben sein, wobei die Wankwinkelvorgabe mit zunehmender Querbeschleunigung anwächst. Mit zunehmender Querbeschleunigung beim Durchfahren einer Kurve erfährt der Fahrer somit eine gewisse Rückmeldung über den Fahrzeugaufbau durch eine gewünschte Neigung desselben. Die Neigung des Aufbaus ist dabei jedoch kleiner als im passiven Zustand ohne Aktuatoreingriff. Bei kleinen Querbeschleunigungen kann hingegen eine vollständige Wankkompensation vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Einstellung des Wankverhaltens eines Kraftfahrzeugs ferner Mittel zum Messen der aktuellen Querbeschleunigung sowie Mittel zum Vergleichen der vom Fahrdynamikbeobachter bereitgestellten Querbeschleunigung mit der gemessenen Querbeschleunigung, wobei bei Überschreiten einer vorgegebenen Differenz der gemessene Querbeschleunigungswert als Eingangsgröße an die Vorsteuerung angelegt wird. Im Fahrdynamikbeobachter werden aus Fahrgeschwindigkeit und Lenkradwinkel die Bewegungsgrößen des Fahrzeugs in Echtzeit berechnet. Da eine solche Berechnung aufgrund von Modellierungsungenauigkeiten und äußeren Einflüssen nicht in jeder Situation exakt sein kann, können Fahrzustandsgrößen, die gut messbar sind bzw. an Fahrzeugen oftmals ohnehin vorliegen, zur Stützung des Modells genutzt werden.
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In Ausnahmefällen, nämlich dann, wenn die vom Fahrdynamikbeobachter bereitgestellte Querbeschleunigung nicht plausibel erscheint, kann auf die gemessene Querbeschleunigung zurückgegriffen werden. Als einfaches Entscheidungskriterium zum Umschalten auf den gemessenen Wert bietet sich beispielsweise ein Schwellwert für die Abweichung zwischen der Querbeschleunigung aus dem Modell sowie der gemessenen Querbeschleunigung an. Da die Signalqualität des Fahrdynamikbeobachters jedoch im Allgemeinen deutlich über der eines Querbeschleunigungssensors liegt, wird für den Normalfall auf den vom Fahrdynamikbeobachter bereitgestellten Querbeschleunigungswert zurückgegriffen.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung zur Einstellung des Wankverhaltens ferner einen geteilten Stabilisator mit zwei Teilabschnitten. Der Aktuator ist dabei zwischen die Teilabschnitte eingekoppelt, um über diese ein Moment um die Fahrzeuglängsachse in einen Aufbau des Fahrzeugs einzubringen. Hierdurch lässt sich ein aktiver Eingriff in das Wankverhalten verhältnismäßig einfach bewerkstelligen, da lediglich ein Aktuator je Fahrzeugachse benötigt wird.
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Jedoch kann ein Moment um die Fahrzeuglängsachse auch an anderer Stelle oder an anderen Stellen zwischen Fahrzeugaufbau und Radaufhängung eingeleitet werden, wobei im letztgenannten Fall in an sich bekannter Weise eine Aufteilung des Moments beispielsweise zwischen Vorder- und Hinterachse vorgenommen wird, wie dies z. B. in der
DE 10 2004 019 281 A1 beschrieben ist, deren Inhalt insoweit vorliegend miteinbezogen wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Einstellung des Wankverhaltens eines Kraftfahrzeugs, und in
- 2 eine schematische Schnittansicht quer zur Fahrzeuglängsachse.
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Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug, bei dem zumindest an einer Vorderachse oder einer Hinterachse ein Stabilisator vorgesehen ist. 1 zeigt beispielhaft eine Vorderachse 1 mit einem in etwa U-förmigen Stabilisator 2. Die Stabilisatoren und sind in herkömmlicher Weise als Drehstab-Stabilisatoren ausgebildet und dementsprechend mit einem Mittelabschnitt 2a drehbar am Fahrzeugaufbau oder einer aufbaufesten Komponente wie einem Hilfsrahmen 3 gelagert. Jeder Stabilisator 2 ist mit seinen Endabschnitten 2b jeweils über einen Hebelarm 2c an einem radführenden Element, hier beispielhaft einem Radträger 4 abgestützt. Bei einem wechselseitigen Ein- und Ausfedern der Räder 5 einer Achse wird der Stabilisator 2 tordiert und erzeugt ein der Wankneigung bzw. dem Ein- und Ausfedern entgegenwirkendes Moment zur Stabilisierung des Fahrzeugs.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stabilisatoren 2 als aktive Stabilisatoren ausgestaltet, über die ein zusätzliches Moment einbringbar ist. Hierzu sind die Stabilisatoren 2 vorzugsweise im Bereich des Mittelabschnitts 2a in jeweils zwei Teilabschnitte getrennt, die über einen Aktuator 6 miteinander verbunden sind. Der Aktuator 6 kann dabei sowohl elektromechanisch als auch hydraulisch ausgebildet sein. Insbesondere eignet sich hierfür ein Aktuator gemäß der
EP 1 342 597 A2 , deren diesbezüglicher Inhalt vorliegende miteinbezogen wird. Durch eine Aktivierung des Aktuators, beispielsweise eine Druckbeaufschlagung, kann ein Drehmoment zwischen den Stabilisatorenden erzeugt werden. Ein geeignetes Regelventil erlaubt dabei einen Wechsel der Wirkrichtung.
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Die Kopplung der Stabilisatorteilabschnitte über den Aktuator 6 kann dabei so erfolgen, dass im deaktivierten Zustand eine wenn auch geringe Stabilisatorwirkung aufrechterhalten bleibt.
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Denkbar ist jedoch auch, die Stabilisatorteilabschnitte in ihrer Wirkung vollständig zu entkoppeln. Dies ermöglicht für einen Geländebetrieb eine maximale Verschränkung der Fahrzeugräder, d. h. ein maximales wechselseitiges Ein- und Ausfedern ohne ein stabilisierendes Gegenmoment. Auch bei Geradeausfahrt können die Stabilisatoren 2 deaktiviert sein.
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Die Ansteuerung des Aktuators 6 erfolgt in nachfolgend näher erläuterte Art und Weise, wobei aus Gründen der Anschaulichkeit von nur einem Stabilisator 2 ausgegangen wird. Selbstverständlich kann jedoch das zur Einstellung des Wankverhaltens in den Fahrzeugaufbau einzuleitende Moment auch auf mehrere Aktuatoren verteilt werden.
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1 zeigt in diesem Zusammenhang beispielhaft ein Steuergerät 10 mit einem Fahrdynamikbeobachter 11, einer Vorsteuerung 12 und einem Regler 13. Jedoch können einzelne Komponenten des Steuergeräts 10 auch in unterschiedliche Steuergeräte am Fahrzeug implementiert sein, die dann, beispielsweise über einen Bus, untereinander verbunden sind.
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Der erfindungsgemäße Ansatz beruht auf einem linearen Modell zur Beschreibung des Wankverhaltens eines Kraftfahrzeugs und der Verwendung von beobachteten Fahrzeuggrößen. Wie
2 zeigt, lässt sich für das Moment M
x, Aufbau des Fahrzeugaufbaus um die Längsachse folgende Bewegungsgleichung aufstellen:
wobei J
z das Trägheitsmoment des Aufbaus, d
w eine Dämpfungskonstante, C
w eine Federkonstante und φ den Wankwinkel darstellt.
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Greift im Fahrzeugschwerpunkt die Kraft Fy an, so ergibt sich unter Berücksichtigung des Abstands z
w zwischen dem Wankzentrum und dem Schwerpunkt:
bzw. bei einer Querbeschleunigung a
y und einer Masse m:
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Dieses aus der Querbeschleunigung ay resultierende Moment Mx, Aufbau verursacht ein Wanken des Fahrzeugaufbaus um das Wankzentrum.
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Vorliegend wird die Querbeschleunigung ay über den Fahrdynamikbeobachter 11 berechnet, der in an sich bekannte Art und Weise auf der Grundlage eines Fahrdynamikmodells des Fahrzeugs sowie unter Berücksichtigung am Fahrzeug bekannter Größen wie beispielsweise der Raddrehzahlen oder der hieraus abgeleiteten Fahrgeschwindigkeit v sowie dem Lenkradwinkel δH Bewegungsgrößen des Fahrzeugs bestimmt. Neben der Querbeschleunigung aysoll wird ferner eine das Wankverhalten des Fahrzeugs charakterisierende Größe bestimmt, wie beispielsweise der Wankwinkel φ, die Wankwinkelgeschwindigkeit und/oder die Wankwinkelbeschleunigung.
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Die von dem Fahrdynamikbeobachter 11 ermittelte Querbeschleunigung a
ysoll wird als Eingangsgröße der Vorsteuerung 12 aufgeschaltet. In der Vorsteuerung 12 wird auf der Grundlage des linearen Modells zur Beschreibung des Wankverhaltens mittels der Querbeschleunigung a
ysoll eine erste Stellsignalkomponente M
1 für den Aktuator 6 berechnet. Diese erste Stellsignalkomponente M
1 macht im Regelfall den Hauptanteil des Stellsignals M
A des Aktuator 6 aus. Für den Vorsteueransatz werden die Parameter der oben genannten Gleichungen für das jeweilige Fahrzeug vorab im passiven Zustand experimentell oder rechnerisch ermittelt und in der Vorsteuerung 12 abgelegt. Sind diese Parameter bekannt, lässt sich die erste Stellsignalkomponente M
1 wie folgt berechnen:
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Dabei stellt φref den gewünschten einzustellenden Wankwinkel bei einer bestimmten Querbeschleunigung ay dar.
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Zur Kompensation von Modellungenauigkeiten und veränderlichen Randbedingungen wird zusätzlich zur Vorsteuerung 12 ein Regler 13 eingesetzt. Dieser nutzt Wankwinkel-, Wankwinkelgeschwindigkeits- und/oder Wankwinkelbeschleunigungssignale als Eingangsgrößen, um nach einem Vergleich mit entsprechenden Soll-Werten, die über den Fahrdynamikbeobachter 11 bereitgestellt werden, eine gegebenenfalls notwendige zweite Stellsignalkomponente M2 zur Realisierung der gewünschten Wankbewegung bereitzustellen.
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In 1 ist beispielhaft ein Wankratensensor 14 dargestellt, der die Ist-Wankwinkelgeschwindigkeit φ̇Ist misst. Das entsprechende Signal ist dem Regler 13 aufgeschaltet, der als weitere Eingangsgröße den korrespondierenden Soll-Wert φ̇Soll aus den Fahrdynamikbeobachter 11 erhält. Aus der Differenz zwischen der Ist-Wankwinkelgeschwindigkeit und der Soll-Wankwinkelgeschwindigkeit erzeugt der Regler 13 ein Korrektursignal M2 für die von der Vorsteuerung 12 bereitgestellte Stellsignalkomponente M1. Beide Signalkomponenten M1 und M2 werden addiert und bilden das Stellsignal MA für den Aktuator 6.
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Die vorstehend erläuterte Vorrichtung ermöglicht eine stabile Regelung sowie ein hochdynamisches Ansprechen bei der Einstellung eines gewünschten Wankverhaltens.
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Die Bestimmung des Stellsignals MA beruht lediglich auf dem gemessenen Lenkradwinkel, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der beobachteten Querbeschleunigung sowie einer beobachteten und einer gemessenen, das Wankverhalten charakterisierenden Größe wie beispielsweise der Wankwinkelgeschwindigkeit.
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In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels wird zusätzlich die aktuelle Querbeschleunigung ayIst mittels eines Querbeschleunigungssensors 15 gemessen. Das gemessene Querbeschleunigungssignal dient der Stützung der vom Fahrdynamikbeobachter 11 vorgegebenen Querbeschleunigung aySoll. In der Regel weist das vom Fahrdynamikbeobachter 11 bereitgestellte Querbeschleunigungssignal eine größere Signalgüte auf, als das gemessene Querbeschleunigungssignal, so dass im Normalfall für die Bestimmung der ersten Steuersignalkomponente M1 auf das Signal des Fahrdynamikbeobachters 11 zurückgegriffen wird. Kommt es zu einer signifikanten Abweichung zwischen der vom Fahrdynamikbeobachter 11 bereitgestellten Querbeschleunigung aySoll und der gemessenen Querbeschleunigung ayIst, was beispielsweise bei Überschreiten einer vorgegebenen Differenz angenommen wird, kann, solange dieser Zustand anhält, der gemessene Querbeschleunigungswert ayIst als Eingangsgröße an die Vorsteuerung 12 angelegt werden.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorderachse
- 2
- Stabilisator
- 2a
- Mittelabschnitt
- 2b
- Endabschnitt
- 2c
- Hebelabschnitt
- 3
- Hilfsrahmen
- 4
- Radträger
- 5
- Fahrzeugrad
- 6
- Aktuator
- 10
- Steuergerät
- 11
- Fahrdynamikbeobachter
- 12
- Vorsteuerung
- 13
- Regler
- ay
- Querbeschleunigung
- ayIst
- gemessene Querbeschleunigung
- aySoll
- Querbeschleunigung aus dem Fahrdynamikbeobachter
- M1
- erste Stellsignalkomponente
- M2
- zweite Stellsignalkomponente
- MA
- Stellsignal
- v
- Fahrgeschwindigkeit
- φ̇Ist
- Ist-Wankwinkelgeschwindigkeit
- φ̇Soll
- Soll-Wankwinkelgeschwindigkeit
- δH
- Lenkradwinkel
