DE102011084349A1

DE102011084349A1 - Aktive Wankdämpfung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011084349A1
Application number: DE102011084349A
Authority: DE
Inventors: Bernd Wittmann; Alexander Decker; Thomas Drescher; Michael Stettin
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: DE102011084349B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur aktiven Wankdämpfung eines Fahrzeugs (8), die eine Stabilisatoreinheit (11) mit einem Aktor (2) und einem Stabilisator (1) sowie einen Höhenstandsensor (19) und einen Winkelsensor (18) einschließt, deren Signale jeweils als eine Regelgröße berücksichtigt werden. Als weitere Regelgröße wird von der Einrichtung durch eine Korrelation der Signale des Winkelsensors (18) und des Höhenstandsensors (19) weiterhin ein Dämpfungs- oder Wankmoment generiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur aktiven Wankdämpfung eines Fahrzeugs und ein Verfahren zur Signalerfassung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Im Fahrzustand stellen sich Wank- und Nick-Bewegungen des Fahrzeugs ein, die wie auch interne Anregungen des Antriebsstrangs oder des Rades zwischen dem Fahrwerk und der Karosserie wirkende vertikale Kräfte erzeugen. Ein Fahrzeugaufbau führt jedoch nicht nur bei einer Kurvenfahrt Wankbewegungen aus, sondern auch bei Geradeausfahrt beispielsweise aufgrund von Fahrbahnunebenheiten oder einer einseitigen Federbewegung eines Rades. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich der Fahrzeugaufbau in einer Frequenz bis ≤ 1 Hz bewegt und die Frequenz der Federbewegung des Rades bis ca. 10 Hz betragen kann. Die Wankdämpfung hat zum Ziel, die Wank- und Nick-Bewegungen sowie ein Schwingungsverhalten des Fahrzeugs zu reduzieren.
Aus der DE 199 30 444 A1 ist ein aktiver Stabilisator für ein Kraftfahrzeug bekannt, der eine geteilte Fahrzeugachse koppelt. Der Stabilisator bildet zwei unabhängig zueinander verdrehbare Stabilisatorabschnitte, die jeweils einem Achsabschnitt einschließlich Rad zugeordnet sind, wobei eine Koppelung der Stabilisatorabschnitte über einen Aktuator erfolgt. Der Aktuator steuert die Seitenneigung des Kraftfahrzeugs durch Verspannen der Stabilisatorabschnitte gegeneinander.
Die DE 39 18 735 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dämpfung von Bewegungsabläufen bzw. Schwingungen an Fahrwerken von Fahrzeugen, bei denen aus einer sensorisch ermittelten Bewegung mittels einer Signalverarbeitung ein Steuersignal für einen steuerbaren Aktuator gebildet wird.
Ein Fahrdynamik-Regelsystem gemäß der DE 100 50 420 A1 umfasst neben Höhenstandsensoren zur Messung der Ein- und Ausfederwege an den einzelnen Radaufhängungen außerdem einen Querbeschleunigungssensor sowie einen Lenkwinkelsensor. Mit den Sensoren kann unter anderem das Fahrverhalten des Fahrzeugs als Resultat der Fahrervorgabe festgestellt werden. Beispielsweise kann dem Fahrerwunsch entsprechend eine Lenkbewegung für eine gewünschte Kurvenfahrt sowie Bremsen und oder Beschleunigen sensiert werden.
Die DE 10 316 114 A1 betrifft ein Verfahren, mit dem Bewegungen des Fahrzeugaufbaus von Sensoren erfasst und von einer Regelungseinheit in eine absolute Wankbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus umgerechnet werden. Zur Reduzierung der Wankbeschleunigung umfasst die Vorrichtung einen in dem Regelkreis integrierten aktivierbaren Stabilisator, über den zur Kompensation einer Wankbewegung getrennt voneinander verstellbare Stabilisatorabschnitte mit Achsbereichen verbunden sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine bestehende Wankdämpfung eines Fahrwerks zu optimieren.
Diese Problemstellung wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Einrichtung gemäß Anspruch 1 schließt eine Korrelation von Signalen des dem Stabilisator zugehörigen Winkelsensors sowie dem Höhenstandsensor (HSS) des Fahrzeugs ein, um ein Dämpfungs- oder Wankmoment als weitere Regelgröße zu generieren bzw. zu berechnen. Hierbei werden zeitliche Signalfolgen von gesendeten und empfangenen Signalen der variablen in Beziehung stehenden Größen, den Signalen des Winkelsensors und des Höhenstandsensors zur Signalverarbeitung korreliert bzw. verglichen. Durch die erfindungsgemäße Ermittlung eines Dämpfungs- oder Wankmoments als zusätzliche Regelgröße wird die Wankdämpfung über eine mittelbare Positionsermittlung des Fahrzeugs bzw. des Fahrwerks durch das Korrelieren der unterschiedlichen Signale von dem Höhenstand- und dem Winkelsensor verbessert. Vorteilhaft wird ein linearer Zusammenhang zwischen den Signalen beider Sensoren genutzt und ein Korrelationskoeffizient der Signale berechnet, der als ein dimensionsloses Maß eine Bestimmung des Dämpfungs- oder Wankmoments begünstigt. Abweichend zu bisher bekannten Lösungen, bei denen ein separater Weg-, Momenten- oder Kraftsensor installiert wurde, kann erfindungsgemäß durch die bereits im Fahrzeug verbaute, installierte bzw. systeminterne Sensorik eine weitere Regelgröße generiert werden. Über den aktuellen Zustand bzw. das anliegende Moment an den Stabilisatoren des Fahrwerks können Aussagen über den aktuellen Fahrzustand und die zu erwartenden Fahrzeugreaktionen gemacht werden. Anhand dieser Daten kann die Regelung eines aktiven Stabilisators bzw. der aktiven Wankdämpfung bedarfsgerecht und effektiv geregelt werden. Vorteilhaft kann durch die Maßnahme gemäß der Erfindung eine optimierte Wankdämpfung nahezu kostenneutral realisiert werden, die in allen Fahrzuständen, d. h. auch außerhalb von Kurvenfahrten beispielsweise bei einer Geradeausfahrt aktiv bleibt.
Bei bisherigen bekannten aktiven Stabilisatoren wird die Regelgröße, das Dämpfungsmoment über einen zusätzlichen, der Stabilisatoreinheit zugeordneten Sensor, insbesondere einen Momenten- oder Kraftsensor im System gemessen. Abweichend dazu ist mittels der erfindungsgemäßen Maßnahme eine nahezu kostenneutrale Regelung des Wankmomentes im Fahrwerk realisierbar. Durch die Stabilisatoreinheit gemäß der Erfindung wird aus den korrelierten Signalen der Winkelbewegung des Aktors bzw. des Aktuators sowie des Höhenstandsensors ein Dämpfungsmoment abgeleitet. Dazu kann eine Momentengenauigkeit durch einen Differenzwinkel Δφ mittels folgender Annahme bestimmt werden: Δφ < [φ HSS – φ Aktor]
Dabei ist:

Δφ: = Differenzwinkel
φ HSS: = abgeleiteter Winkel aus Höhenstandsignal z [grad]
φ Aktor: = gemessener Aktorwinkel i. V. mit Winkelsensor [grad]

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei einer Inbetriebnahme des Fahrzeugs das Dämpfungs- oder Wankmoment als weitere Regelgröße mittels einer Initialisierung von Messwerten bzw. Messbereichen in einer Regelvorrichtung aufgenommen oder eingelesen wird. Vorzugsweise werden die Initialisierungsschritte nach jedem Neustart der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs vorgenommen. Bei einer wiederholten Durchführung der Initialisierung dient der in einer vorangehenden Initialisierung verwendete Messbereich als Referenzbereich. Außerdem können bedarfsabhängig bei jeder Initialisierung beispielsweise mittels eines aktiven Eingriffs des Fahrers geänderte Grenzwerte für das Dämpfungs- oder Wankmoment des Fahrzeugs als Regelgröße berücksichtig werden. Weiterhin bietet es sich an, eine Initialisierung während der Fahrt durchzuführen oder zu ändern. Vorteilhaft wird die Initialisierung nach einer Überschreitung einer vorbestimmten Zeitspanne des Fahrzeug-Stillstandes automatisch oder mittels Betätigung eines bestimmten Bedienelementes durch den Fahrer ausgelöst.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schließt die Initialisierung einen Offsetabgleich von den Sensorsignalen des Höhenstandsensors und des Winkelsensors ein. Der Offsetabgleich kann dazu in Abhängigkeit einer geometrischen Anordnung von den Messwertpaaren der Sensorsignale in einem Koordinatensystem erfolgen, wobei der Höhenstandsensor sowie der Winkelsensor orthogonale Sensorsignale liefern.
Erfindungsgemäß kann die weitere für das Wank- oder Dämpfungsmoment vorgesehene Regelgröße mittels einer Software bestimmt werden. Vorteilhaft bietet sich dazu beispielsweise eine für unterschiedliche Anforderungen oder Profile abgestimmte Software an, um eine optimale Signalverarbeitung und Ansteuerung des Aktors bzw. Aktuators der Stabilisatoreinheit zu gewährleisten.
Das Wank- oder Dämpfungsmoment lässt sich aus den bereits vorhandenen Signalen des Höhenstandsensors im Fahrzeug und des dem Aktor zugeordneten Winkelsensors berechnen über die Beziehung: M = (φ Höhenstand – φ Aktor) × c Stabilisator
Dabei ist:

M: = Wank- oder Dämpfungsmoment
φ Höhenstand: = abgeleiteter Winkel aus Höhenstandsignal z [grad]
φ Aktor: = mittels Winkelsensor ermittelter Aktorwinkel [grad]
c Stabilisator: = Torsionssteifigkeit [Nm/grad]

Dabei ist die Torsions- oder Systemsteifigkeit ein wichtiger Abstimmparameter des aktiven bzw. aktivierbaren Stabilisators zum Aufbau eines stabilisierenden Wankmomentes. Beispielsweise begünstigt eine große Torsionssteifigkeit einen schnellen Aufbau des Aktor- oder Aktuatormomentes bei geringer Aktuatorverdrehung.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Signal des Höhenstandsensors und/oder des Winkelsensors mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) in ein Analogsignal konvertierbar ist. Der Vorteil des bevorzugt durch zwei Spannungsebenen (Low- und High-Pegel) gebildeten PWM-Signals besteht in einer geringen Verlustenergie bzw. einem verlustarmen Schaltbetrieb.
Im Hinblick auf einen geringen Bauraumbedarf und zur Funktionsoptimierung bietet es sich an, als Winkelsensor und Höhenstandsensor der erfindungsgemäßen Einrichtung einen Radialsensor oder Axialsensor einzusetzen.
Die Erfindung gemäß Anspruch 8 betrifft ein Verfahren zur Signalerfassung einer Wankdämpfung eines Fahrzeugs. Mittels einer auch als Steuergerät zu bezeichnenden Regelvorrichtung der einen Regelkreis bildenden Stabilisatoreinheit wird durch eine Korrelation von Signalen des Winkelsensors und des Höhenstandsensors ein Dämpfungs- oder Wankmoment als weitere Regelgröße generiert und der Regelvorrichtung zugeführt. In Verbindung mit der weiteren Regelgröße kann der Aktor gezielt aktiviert werden und über den Stabilisator eine gerichtete Stellkraft ausüben, um die Wankdämpfung des Fahrzeugs positiv zu beeinflussen. Zwecks optimaler Wankdämpfung des Fahrzeugs umfasst bevorzugt jede Achse eine Stabilisatoreinheit, die eine Regelvorrichtung einschließt.
Kurze Figurenbeschreibung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Figuren, die eine bevorzugte Ausführungsform darstellen, näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren im Einzelnen:
1: einen erfindungsgemäßen aktiven Stabilisator für ein Fahrwerk eines Fahrzeugs in einer Perspektive;
2 eine schematisierte Darstellung eines Fahrzeuges, wobei der Hinterachse eine erfindungsgemäße Stabilisatoreinheit zugeordnet ist.
Detaillierte Figurenbeschreibung
Die 1 zeigt in einer Einzelteilzeichnung einen erfindungsgemäßen Stabilisator 1, der zur aktiven Wankregelung, insbesondere Wankdämpfung, für ein Fahrzeugs einsetzbar ist. Der Aufbau des Stabilisators 1 umfasst einen elektromechanischen Aktor 2 oder Aktuator, der zwischen zwei Stabilisatorabschnitten 3 und 4 eingesetzt ist, in dem eine Stelleinheit bestehend aus einem Stellmotor sowie einem Getriebe integriert ist. Im Einbauzustand ist der Stabilisator 1 über den Aktor 2 mit einer in 2 abgebildeten Karosserie 7 eines Fahrzeugs 8 verbunden. Die weitestgehend als Wellen ausgebildeten, mittels des Aktors 2 relativ zueinander verdrehbaren Stabilisatorabschnitte 3, 4 des Stabilisators 1 sind einstückig mit abgewinkelten Schenkeln 5, 6 verbunden, die gelenkig an einer Achse des Fahrzeugs 8 angekoppelt sind.
In der 2 ist ein Fahrzeug 8 schematisiert abgebildet mit einer Vorderachse 9 und einer geteilt ausgeführten Hinterachse 10, die eine Einzelradaufhängung der Räder 12, 13 vorsieht. Mittels einer Einrichtung zur Wankdämpfung, die eine der Hinterachse 10 zugeordnete Stabilisatoreinheit 11 einschließt, kann das Wankverhalten der Karosserie 7 bzw. des Fahrzeugs 8 beeinflusst werden. Die einen Regelkreis bildende Stabilisatoreinheit 11 schließt einen Stabilisator 1 mit zugehörigem Aktor 2 ein und umfasst weiterhin zumindest einen Winkelsensor 18 und einen Höhenstandsensor 19 sowie eine Regelvorrichtung 20. Der Stabilisator 1 ist über abgewinkelte Schenkel 5, 6 der Stabilisatorabschnitte 3 und 4 und zugehörige Zwischenelemente 14, 15 jeweils gelenkig mit einem Dreiecklenker 16, 17 der Hinterachse 10 verbunden. Der mit dem Aktor 2 verbundene Winkelsensor 18 erfasst die Verdreh- oder Stellbewegungen der funktional zueinander verdrehbaren Stabilisatorabschnitte 3, 4 als Differenzwinkel. Aufgrund der überwiegend abweichenden Verdrehung zwischen den zueinander versetzten Stabilisatorabschnitten 3, 4 bietet es sich an, zwei getrennte Winkelsensoren 18 einzusetzen. Vorteilhaft kann der Winkelsensor 18 geschützt innerhalb des Aktuators 2 angeordnet werden. Der Höhenstandsensor 19 ist der Karosserie 7 zugeordnet und erfasst Wankbewegungen des Fahrzeugs 8. Signale von den Sensoren 18, 19 der Sensorik werden der Regelvorrichtung 20 zugeleitet, die den Aktor 2 zur Wankdämpfung entsprechend betätigt. Mittels einer Korrelation von den Signalen des Winkelsensors 18 und des Höhenstandsensors 19 wird von der Regelvorrichtung 20 ein Dämpfungs- oder Wankmoment als weitere Regelgröße indirekt generiert und der Regelvorrichtung 20 übertragen. Zur Optimierung der Wankdämpfung des Fahrzeugs 8 bietet es sich an, der Vorderachse 9 eine weitere Stabilisatoreinheit 11 zuzuordnen.
Bezugszeichenliste

1: Stabilisator
2: Aktor
3: Stabilisatorabschnitt
4: Stabilisatorabschnitt
5: Schenkel
6: Schenkel
7: Karosserie
8: Fahrzeug
9: Vorderachse
10: Hinterachse
11: Stabilisatoreinheit
12: Rad
13: Rad
14: Zwischenelement
15: Zwischenelement
16: Dreiecklenker
17: Dreiecklenker
18: Winkelsensor
19: Höhenstandsensor
20: Regelvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19930444 A1 [0003]
DE 3918735 A1 [0004]
DE 10050420 A1 [0005]
DE 10316114 A1 [0006]

Claims

Einrichtung zur aktiven Wankdämpfung eines Fahrzeugs (8) mit einer Stabilisatoreinheit (11), die einen Aktor (2) und einen Stabilisator (1) einschließt und die Einrichtung ein Signal eines Höhenstandsensors (19) sowie eines Winkelsensors (18) jeweils als Regelgröße berücksichtigt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Korrelation der Signale des Winkelsensors (18) und des Höhenstandsensors (19) ein Dämpfungs- oder Wankmoment als weitere Regelgröße generiert wird.
Einrichtung zur Wankdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Inbetriebnahme des Fahrzeugs (8) die für das Dämpfungs- oder Wankmoment bestimmte Regelgröße mittels einer Initialisierung in einer Regelvorrichtung (20) aufgenommen wird.
Einrichtung zur Wankdämpfung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Initialisierung über einen Offsetabgleich zwischen dem Winkelsensor (18) und dem Höhenstandsensor (19) erfolgt.
Einrichtung zur Wankdämpfung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Software das Wank- oder Dämpfungsmoment der Stabilisatoreinheit (11) errechnet werden kann.
Einrichtung zur Wankdämpfung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wank- oder Dämpfungsmoment aus einem Signal des Höhenstandsensors (19) im Fahrzeug (8) und einem Signal von dem Winkelsensor (18) des Aktors (2) mittels der Beziehung bestimmt wird: M = (φ Höhenstand – φ Aktor) × c Stabilisator.
Einrichtung zur Wankdämpfung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Signal des Winkelsensors (18) und/oder des Höhenstandsensors (19) mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) umgewandelt wird.
Einrichtung zur Wankdämpfung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Winkelsensor (18) und/oder Höhenstandsensor (19) ein Axial- oder Radialsensor eingesetzt ist.
Verfahren zur Signalerfassung einer aktiven Wankdämpfung eines Fahrzeugs (8), die eine Stabilisatoreinheit (11) umfasst, der ein Aktor (2) zur Aktivierung eines Stabilisators (1) zugeordnet ist und die ein Signal eines Höhenstandsensors (19) sowie eines Winkelsensors (18) als Regelgröße berücksichtigt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Korrelation von den Signalen des Winkelsensors (18) und des Höhenstandsensors (19) ein Dämpfungs- oder Wankmoment als weitere Regelgröße generiert und einer Regelvorrichtung (20) zugeführt wird.