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Die vorliegende Erfindung betrifft die Klangsteuerung an einem Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung die Steuerung von Klang am Kraftfahrzeug in Abhängigkeit eines Zustands eines Antriebsmotors.
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Ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personen- oder Lastkraftwagen, umfasst eine Karosserie und einen Antriebsmotor. Der Antriebsmotor ist üblicherweise als Brennkraftmaschine, insbesondere als Hubkolbenmotor ausgebildet. Der Antriebsmotor stellt eine Drehbewegung an einen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs bereit, die mittels eines Antriebsrads für einen Vortrieb sorgt. Bei der Bereitstellung der Drehbewegung werden üblicherweise Vibrationen vom Antriebsmotor auf die Karosserie übertragen, die sich mit Betriebsgeräuschen anderer Komponenten an Bord des Kraftfahrzeugs mischen und so für ein bestimmtes Klangbild beim Betrieb des Kraftfahrzeugs sorgen können. Dieses Klangbild können zahlreiche Ausstattungskomponenten des Kraftfahrzeugs beeinflussen. Außerdem können unterschiedliche Antriebsmotoren unterschiedliche Vibrationsspektren in die Karosserie einleiten. Wird beispielsweise ein Hubraum des Antriebsmotors verringert, um dessen Effizienz zu steigern, so können vermehrt hochfrequente Vibrationen in die Karosserie eingeleitet werden, die von einer Person an Bord des Kraftfahrzeugs oder außerhalb als unangenehm empfunden werden können.
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Um das Klangbild zu steuern, kann zwischen dem Antriebsmotor und der Karosserie ein aktives Motorlager vorgesehen sein, dessen Dämpfungscharakteristik steuerbar ist. Ein anderer Ansatz sieht vor, mittels einer im Inneren des Kraftfahrzeugs installierten Luftschallanlage Geräusche zu erzeugen, die sich mit einem Betriebsgeräusch des Kraftfahrzeugs mischen und so das lokal beeinflussen.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Technik anzugeben, mittels der ein Klangbild, das sich beim Betreiben eines Kraftfahrzeugs einstellt, verbessert gesteuert werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Ein Kraftfahrzeug umfasst eine Karosserie und einen Antriebsmotor, welcher auch ein E-Motor sein kann. Ein Verfahren zum Steuern einer Schallentwicklung an einem solchen Kraftfahrzeug umfasst Schritte des Erfassens einer Drehzahl des Antriebsmotors; des Bestimmens eines Schallsignals in Abhängigkeit der Drehzahl; und des Einleitens von Körperschall in die Karosserie auf der Basis des Schallsignals.
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Durch das Einleiten von Körperschall in die Karosserie kann das Klangbild im gesamten Bereich des Kraftfahrzeugs beeinflusst werden. Das Klangbild umfasst die durch den Betrieb des Kraftfahrzeugs hervorgerufenen Geräusche im Bereich des Kraftfahrzeugs. Dabei wird üblicherweise eine Drehzahl des Antriebsmotors berücksichtigt. Fahrgeräusche, die durch die Bewegung des Kraftfahrzeugs gegenüber einem Untergrund entstehen können, können hingegen nicht berücksichtigt werden. Eine Auslegung des aktiven Köperschalls auf einen bestimmten Ort innerhalb oder außerhalb des Kraftfahrzeugs, wie das bei der Verwendung von Luftschall üblich ist, ist nicht erforderlich. Ein Körperschall-Aktor kann flexibel an unterschiedlichen Stellen der Karosserie vorgesehen sein. Insbesondere kann der Aktor im Bereich eines Motorraums, unter dem Kraftfahrzeug oder an einer anderen Stelle vorgesehen sein, die üblicherweise von Personen beim Gebrauch des Kraftfahrzeugs nicht eingesehen wird. Eine technische Gestaltungsfreiheit insbesondere des Innenraums des Kraftfahrzeugs kann dadurch nicht verringert sein. Vorteile ergeben sich durch die Platzierung im Motorraum, hierdurch erfährt der erzeugte Körperschall dieselbe Klangbeeinflussung zur Fahrgastzelle hin wie dir Schall des Motors selbst.
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Durch das Bereitstellen eines aktiven Schallsignals können Frequenzen eingeleitet werden, die im Vibrationsspektrum des Antriebsmotors nicht oder nur schwach vorhanden sind. Insbesondere kann darauf verzichtet werden, existierende Vibrationen zu verstärken, sodass die dabei üblichen Verzerrungen oder eine Verstärkung von Störgeräuschen ähnlicher Frequenzen vermieden werden kann.
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Da das bereitgestellte Schallsignal von der Drehzahl des Antriebsmotors abhängig ist, kann sich ein Klangbild einstellen, das von einer Person im Bereich des Kraftfahrzeugs als stimmig und angenehm wahrgenommen werden kann. Dadurch kann verbessert eine technische Maßnahme am Antriebsmotor durchgeführt werden, die beispielsweise einer Verringerung von Emissionen dient, die aber aufgrund einer Veränderung des Klangbilds des Antriebsmotors von einem Fahrer nicht oder nur schlecht akzeptiert sein kann. Insbesondere kann der Antriebsmotor mittels moderner Konzepte in seinem Hubraum verkleinert, leiser gemacht, mit einer höheren oder geringeren Anzahl von Zylindern ausgestattet oder sonstwie konstruktiv verändert werden. Durch das beschriebene Verfahren können begleitende Einflüsse auf das Klangbild kompensiert oder so verändert werden, dass sich wieder ein angenehmer und bekannter akustischer Eindruck am Kraftfahrzeug einstellt.
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Es ist besonders bevorzugt, dass eine Frequenz des Schallsignals ein vorbestimmtes Vielfaches der Drehzahl ist. Dieses Vielfache kann beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 10 liegen und muss nicht ganzzahlig sein. Dadurch kann das Körperschallsignal verbessert an die drehzahlabhängigen Vibrationsemissionen des Antriebsmotors gekoppelt sein.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die Amplitude des Schallsignals einem vorbestimmten Verlauf über die Drehzahl folgt. Dieser Verlauf kann beispielsweise binär sein, indem das Schallsignal unterhalb einer vorbestimmten Drehzahl eine erste Amplitude und oberhalb dieser Drehzahl eine zweite Amplitude aufweist. Eine der Amplituden kann null sein. In anderen Ausführungsformen ist auch beispielsweise ein linearer, polynomialer oder sonst wie geformter Verlauf über die Drehzahl denkbar. So kann das Körperschallsignal bei bestimmten Drehzahlen stärker als bei anderen Drehzahlen in die Karosserie eingeleitet werden. Resonanzeffekte des Antriebsmotors und/oder der Karosserie können dadurch verbessert beeinflusst werden. Der Verlauf kann allgemein parametrisch oder absolut, beispielsweise als Wertetabelle oder Kennfeld, angegeben sein.
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Die Amplitude des Schallsignals kann auch einem vorbestimmten Verlauf über einen weiteren Parameter des Antriebsmotors folgen. Das Klangbild des Kraftfahrzeugs kann dadurch noch differenzierter beeinflusst werden. Insbesondere kann vermieden werden, dass der eingeleitete Körperschall als künstlich wahrgenommen wird. Die weiteren Parameter können beispielsweise ein vom Antriebsmotor bereitgestelltes Drehmoment, eine Drehmomentanforderung an den Antriebsmotor, eine Temperatur im Bereich des Antriebsmotors oder des Körperschall-Aktors oder auch eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann auch die Stellung eines Gaspedals, die auf eine Drehmomentanforderung an den Antriebsmotor hinweist, als Parameter ausgewertet werden. Andere oder zusätzliche Parameter sind ebenfalls möglich. Die Parameter können beispielsweise einfach von einem Kommunikationsbus an Bord des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einem CAN-Bus, abgegriffen werden.
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Das Schallsignal kann im Wesentlichen sinusförmig sein. Eine Anzahl oder Stärke von Oberwellen kann dadurch reduziert sein. Außerdem kommt eine größere Vielzahl von Aktoren zur Bereitstellung des Körperschalls infrage. Der Aktor kann beispielsweise eine Schwingspule nach Art eines Lautsprechers, eine hydraulische oder pneumatische Vibrationseinrichtung oder einen Drehantrieb mit einer exzentrisch gelagerten Vibrationsmasse umfassen. Ebenso kann z.B. bei einem elektrischen Antrieb Schall durch Magnetfeldmodulation erzeugt werden.
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Auf der Basis des Schallsignals kann Körperschall mittels eines Aktors oder mittels mehrerer, an unterschiedlichen Stellen der Karosserie vorgesehener Aktoren eingeleitet werden. Es können auch mehrere Schallsignale bestimmt und mittels eines oder mehrerer Aktoren in die Karosserie eingeleitet werden. Jedes Schallsignal kann einem Aktor zugeordnet sein oder ein Aktor kann zur Einleitung mehrerer Schallsignale in die Karosserie eingerichtet sein.
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Eine Steuervorrichtung zur Steuerung einer Schallentwicklung an dem oben beschriebenen Kraftfahrzeug umfasst eine erste Schnittstelle zur Bestimmung eines Signals, das auf eine Drehzahl des Antriebsmotors hinweist; eine zweite Schnittstelle zur Verbindung mit einem Aktor, der zur Einleitung von Körperschall in die Karosserie eingerichtet ist; und eine Verarbeitungseinrichtung, die zur Bestimmung eines Schallsignals in Abhängigkeit des Signals und zur Steuerung des Aktors auf der Basis des Schallsignals eingerichtet ist.
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Die Verarbeitungseinrichtung kann insbesondere einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikroprozessor umfassen. Die Verarbeitungseinrichtung ist bevorzugt dazu eingerichtet, das oben beschriebene Verfahren ganz oder teilweise auszuführen. Merkmale oder Vorteile des Verfahrens können auf die Steuervorrichtung bezogen werden und umgekehrt.
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Ein Steuersystem umfasst die beschriebene Steuervorrichtung sowie einen Aktor, wobei der Aktor zur aktiven Erzeugung von Vibrationen an der Karosserie eingerichtet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor in ein aktives Motorlager zur Verbindung des Antriebsmotors mit der Karosserie integriert. Das Motorlager ist üblicherweise bezüglich seines Dämpfungsverhaltens steuerbar. Zusätzlich kann das Motorlager dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit eines Steuersignals der Steuervorrichtung eine Vibration zu generieren und in die Karosserie einzuleiten.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Steuersystem zur Klangsteuerung an einem Kraftfahrzeug;
- 2 eine weitere Ausführungsform eines Steuersystems;
- 3 beispielhafte Darstellungen von drehzahlabhängigen Vibrationen an einem Kraftfahrzeug; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Schallentwicklung an einem Kraftfahrzeug
darstellt.
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1 zeigt ein Steuersystem 100 zur Klangsteuerung an einem Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsmotor 105, der in 1 lediglich als Abschnitt eines Motorträgers repräsentiert ist, und eine Karosserie 110. Dazwischen ist üblicherweise ein Motorlager 120 angeordnet, um ein durch den Antriebsmotor 105 bereitgestelltes Drehmoment gegenüber der Karosserie 110 abzustützen und die beiden Elemente bezüglich Vibrationen voneinander zu isolieren. Der Antriebsmotor 105 kann beliebig aufgebaut sein und beispielsweise auch einen elektrischen Antriebsmotor umfassen. Vibrationen eines elektrischen Antriebsmotors sind üblicherweise viel geringer als die von Hubkolbenmotoren.
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Das Steuersystem 100 umfasst eine Steuervorrichtung 125 und einen Aktor 130, der zur Einleitung von Körperschall in die Karosserie 110 eingerichtet ist. Der Aktor 130 kann an unterschiedlichen Stellen der Karosserie 110 oder auch am Antriebsmotor 105 oder dem Motorlager 120 angeordnet sein. Der Aktor 130 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines Steuersignals eine Vibration einer vorbestimmten Frequenz und Amplitude in die Karosserie 110 einzuleiten. Dazu kann der Aktor 130 beispielsweise einen Elektromotor (... mit einem Exzentergewicht...), eine Schwingspule, ein elektromagnetischer Aktor oder ein Piezoelement umfassen. In weiteren Ausführungsformen ist auch eine hydraulische oder pneumatische Energieversorgung des Aktors 130 möglich. Im Allgemeinen benötigt der Aktor 130 zur Bereitstellung von Körperschall ausreichender Stärke eine externe Energieversorgung. In der Darstellung von 1 ist beispielhaft eine elektrische Leistungselektronik 135 vorgesehen, wobei der Aktor 130 einen elektrischen Energiewandler, beispielsweise eine elektromagnetische Spule oder ein Piezoelement, umfasst.
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Die Steuervorrichtung 125 umfasst eine erste Schnittstelle 140, eine zweite Schnittstelle 145 und eine Verarbeitungseinrichtung 150. Die erste Schnittstelle 140 ist zur Bestimmung oder Entgegennahme eines Signals, das auf eine Drehzahl des Antriebsmotors 105 hinweist, eingerichtet. Dazu kann die erste Schnittstelle 140 beispielsweise an einem Kommunikationsbus 155 des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein. Der Kommunikationsbus 155 kann insbesondere ein CAN-Bus sein und auf ihm können unterschiedliche Steuer- und Zustandsinformationen bezüglich des Antriebsmotors 105 übermittelt werden. Eine Drehzahl des Antriebsmotors 105 zählt zu den Zustandsinformationen; weitere Zustandsinformationen können ein bereits gestelltes Drehmoment, eine Temperatur im Bereich des Antriebsmotors 105 oder ein angefordertes Drehmoment umfassen. Steuerinformationen können beispielsweise einen Zündwinkel, eine Einspritzmenge, einen Verstellwinkel einer Nockenwelle oder einen Betriebspunkt eines Abgassystems des Antriebsmotors 105 umfassen. Praktisch alle Informationen an Bord des Kraftfahrzeugs, die einen Einfluss auf die Schallentwicklung, insbesondere die Körperschallentwicklung, des Antriebsmotors 105 haben, können von der Steuervorrichtung 125 über die erste Schnittstelle 140 entgegengenommen werden. In einer anderen Ausführungsform kann die erste Schnittstelle 140 auch direkt mit einem Drehzahlsensor oder einer anderen Quelle zur Bereitstellung eines Drehzahlsignals des Antriebsmotors 105 verbunden werden.
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Die zweite Schnittstelle 145 ist zur Verbindung mit dem Aktor 130 bzw. der hier dargestellten, zwischengeschalteten Leistungselektronik 135 eingerichtet. Über die zweite Schnittstelle 145 stellt die Steuervorrichtung 125 ein Schallsignal bereit, das einen Hinweis auf eine Frequenz und eine Amplitude von Körperschall enthält, der in die Karosserie 110 einzuleiten ist.
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Die Verarbeitungseinrichtung 150 ist dazu eingerichtet, auf der Basis von über die erste Schnittstelle 140 entgegengenommenen Informationen, insbesondere auf der Basis der bestimmten Drehzahl des Antriebsmotors 105, ein Schallsignal bereitzustellen und über die zweite Schnittstelle 145 an den Aktor 130 auszugeben.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Steuersystems 100 nach der Art von 1. In dieser Ausführungsform ist das Motorlager 120 als aktives Motorlager ausgeführt und dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines über die zweite Schnittstelle 145 der Steuervorrichtung 125 bereitgestellten Schallsignals aktiv Körperschall in die Karosserie 110 des Kraftfahrzeugs einzuleiten. Dabei kann ausgenutzt werden, dass der Körperschall dabei zumindest teilweise auch in den Antriebsmotor 105 eingeleitet wird. Üblicherweise umfasst das Motorlager 120 ein elastisches Element 115, das ein Elastomer oder eine Stahlfeder umfassen kann, und das bereits für eine gewisse Schwingungsisolation zwischen dem Antriebsmotor 105 und der Karosserie 110 sorgt. Die Einleitung von Körperschall im Bereich des Motorlagers 120 erfolgt bevorzugt auf der Seite der Karosserie 110. Eine Federungs- oder Dämpfungseigenschaft des elastischen Elements 115 kann von seiner Temperatur abhängig sein. Der in die Karosserie 110 eingeleitete Körperschall bzw. das ihm zu Grunde liegende Schallsignal kann in Abhängigkeit einer Temperatur im Bereich des elastischen Elements 115 oder des Motorlagers 120 bestimmt werden, um den Temperatureinfluss möglichst zu verringern oder zu kompensieren. Hierzu kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, der mit dem Kommunikationsbus 155 verbunden sein kann.
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3 zeigt zwei beispielhafte Darstellungen von Vibrationsspektren 305, 310 an der Karosserie 110 eines Kraftfahrzeugs. In einer oberen und einer unteren Darstellung ist jeweils in vertikaler Richtung eine Drehzahl des Antriebsmotors 105 und in horizontaler Richtung eine Ordnung von Vibrationen dargestellt. Die Stärke von Vibrationen ist in Falschfarben dargestellt, wobei eine dunkle Farbe einer starken Vibration und eine helle Farbe einer schwachen Vibration entspricht.
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Das oben dargestellte erste Frequenzspektrum 305 zeigt Vibrationen über das Drehzahlband des exemplarischen Antriebsmotors 105 in Abhängigkeit der Ordnung der Vibrationen. Das unten dargestellte zweite Frequenzspektrum 310 ergibt sich, wenn dem gegenüber beispielhaft die 4,5-fache Motorfrequenz (4,5te Ordnung des Antriebsmotors 105) in die Karosserie 110 eingeleitet wird. In der Darstellung zeigt sich dies durch einen Bereich 320, in dem stärkere Vibrationen zu erkennen sind, die im ersten Frequenzspektrum 305 nicht vorhanden sind. In der dargestellten Ausführungsform werden diese Vibrationen bzw. dieser Körperschall erst oberhalb einer Drehzahl von ca. 900 pro Minute eingeleitet. In einem Bereich von ca. 900 pro Minute bis ca. 1800 pro Minute sinkt die Intensität der Vibrationen allmählich ab, um dann stärker anzusteigen, in einem Bereich von ca. 2100 pro Minute ein Maximum zu bilden und wieder langsam bis zur oberen Drehzahlgrenze bei ca. 2500 pro Minute abzusinken.
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Es ist erkennbar, dass die zusätzlichen Vibrationen des Bereichs 320 einen Einfluss auf andere Vibrationen des ersten Frequenzspektrums 305 haben. Beispielsweise sind in weiteren Bereichen 315, 325 Vibrationen, die bereits im ursprünglichen, ersten Frequenzspektrum 305 vorhanden sind, verstärkt.
Die verstärkten Vibrationen in den Bereichen 315 und 325 ergeben sich nicht durch die Schalleinleitung sondern sind Unterschiede auf Grund von Wiederholmessungen / Messtoleranzen zwischen den Messungen mit System aus und System an.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Steuern einer Schallentwicklung an einem Kraftfahrzeug. Das Verfahren 400 ist bevorzugt in Verbindung mit dem Steuersystem 100 und insbesondere der Steuervorrichtung 125 eingerichtet.
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Das Verfahren 400 kann bevorzugt auf der Verarbeitungs-einrichtung 150 der Steuervorrichtung 125 ablaufen. Dazu kann das Verfahren 400 in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen.
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In einem ersten Schritt 405 wird eine Drehzahl des Antriebsmotors 105 abgetastet bzw. entgegengenommen. In einem Schritt 410 wird die Frequenz eines Schallsignals auf der Basis der bestimmten Drehzahl bestimmt. Die Frequenz kann insbesondere ein vorbestimmtes Vielfaches der Drehzahl sein.
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Optional werden in einem Schritt 415 einer oder mehrere weitere Parameter eines Systems oder Subsystems an Bord des Kraftfahrzeugs abgetastet oder entgegengenommen. Derartige Parameter betreffen insbesondere die Schall- oder Körperschallentwicklung im Kraftfahrzeug und können weiter bevorzugt den Antriebsmotor 105 betreffen. In einem Schritt 420 wird eine Amplitude des Schallsignals bestimmt. Die Amplitude kann insbesondere auf der Basis der Drehzahl oder eines oder mehrerer der weiteren Parameter bestimmt werden. In einer Ausführungsform ist ein Zusammenhang zwischen der Drehzahl oder einem anderen Parameter und der Amplitude hinterlegt. Der Zusammenhang kann beispielsweise parametrisch, als Verlauf oder als Folge von Stützpunkten oder Stützstellen einer Kurve angegeben sein.
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In einem Schritt 425 wird das bestimmte Schallsignal ausgegeben. In einem Schritt 430 wird das bestimmte Schallsignal bevorzugt an den Aktor 130 ausgegeben. Das Einleiten von Körperschall in die Karosserie 110 erfolgt dann bevorzugt in einem Schritt 430.
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Die Reihenfolge, in der Schritte des Verfahrens 400 durchgeführt werden, kann verändert werden. Insbesondere können die Schritte 405 bis 420 in ihrer Reihenfolge vertauscht werden. Das Verfahren 400 kann zyklisch durchlaufen werden, um den in die Karosserie 110 eingeleiteten Körperschall kontinuierlich an eine Veränderung der Drehzahl des Antriebsmotors 105 oder die Veränderung eines anderen Parameters anzupassen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Steuersystem
- 105
- Antriebsmotor
- 110
- Karosserie
- 115
- elastisches Element
- 120
- Motorlager
- 125
- Steuervorrichtung
- 130
- Aktor
- 135
- Leistungselektronik
- 140
- erste Schnittstelle
- 145
- zweite Schnittstelle
- 150
- Verarbeitungseinrichtung
- 155
- Kommunikationsbus
- 305
- erstes Frequenzspektrum
- 310
- zweites Frequenzspektrum
- 315
- erster Bereich
- 320
- zweiter Bereich
- 325
- dritter Bereich
- 400
- Verfahren
- 405
- Abtasten Drehzahl
- 410
- Bestimmen Frequenz eines Schallsignals
- 415
- Abtasten weiterer Parameter
- 420
- Bestimmen Amplitude des Schallsignals
- 425
- Ausgeben Schallsignal
- 430
- Einleiten Körperschall
