DE102018205434B3

DE102018205434B3 - Verfahren zum Abmilderung einer Schlaglochwirkung

Info

Publication number: DE102018205434B3
Application number: DE102018205434.7A
Authority: DE
Inventors: Cyril COERMAN; Uwe Hoffmann; Johannes Wiessalla; Shi Yan
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2038-04-12

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abmildern der Wirkung von Straßenanomalitäten auf ein Fahrzeug durch dynamisches Einstellen eines Zugventils und eines Druckventil beim Durchfahren einer Straßenanomalität bereitgestellt, insbesondere eines Schlagloches, wobei beim Erreichen der abfallenden Flanke der Straßenanomalität das Zugventil hart eingestellt wird und beim Erreichen der steigenden Flanke der Straßenanomalität das Druckventil weich eingestellt wird, sowie eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abmildern der Wirkung von Straßenanomalität auf ein Fahrzeug durch dynamisches Einstellen der Zug- und Druckventile eines Schwingungsdämpfers, eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Anordnung.
Beim Überfahren von Fahrbahnunebenheiten werden Schwingungen der Räder erzeugt, durch die die Aufstandskraft des entsprechenden Fahrzeugs gegenüber der Fahrbahn variiert. Dadurch kann die Beherrschbarkeit des Fahrzeugs gemindert werden. Um die Schwingungen möglichst schnell abklingen zu lassen, werden in der Radaufhängung Schwingungsdämpfer bereitgestellt.
Fahrzeuge umfassen häufig aktive, semi- und/oder adaptive Aufhängungssysteme der Räder, um besonders vertikale Bewegungen der Räder zu steuern. Dabei werden die Aufhängungsmerkmale, wie z.B. Dämpfung und Steifigkeit, selektiv an anormale Fahrbahnzustände angepasst. Ein adaptives Aufhängungssystem ist z.B. das Continuously Controlled Damping (CCD) von FORD. Um einen möglichst hohen Komfort für die Fahrzeuginsassen bereitzustellen, werden die Dämpfungen der Schwingungsdämpfer auf ein relativ niedriges Niveau eingestellt. Niedrig eingestellte Dämpfungen führen jedoch zu höheren vertikalen Lasten, wenn das Fahrzeug eine Straßenanomalität, worunter besonders ein Schlagloch zu verstehen ist, durchfährt und auf den Rand der Straßenanomalität trifft, der sie in Fahrtrichtung zur dahinterliegenden Fahrbahn abgrenzt. In der Druckschrift DE 10 2014 204 519 A1 ist dazu offenbart, dass ein Schwingungsdämpfer mindestens ein Zugventil und ein Druckventil umfassen kann, die mittels Aktuatoren jeweils in verschiedenen Stufen oder stufenlos zwischen harten und weichen Einstellungen verstellt werden können.
Zum Abdämpfen der Schlaglochwirkung können Schwingungsdämpfer, die ein Ventil zum Steuern der Strömung eines Fluids im Dämpfer aufweisen, auf eine hohe bis maximal mögliche Steifigkeit eingestellt werden, wenn ein Schlagloch erfasst wird ( DE 10 2014 200 031 A1 ). Dadurch wird die senkrechte Bewegung des Rades eingeschränkt, so dass es beim Durchfahren des Schlaglochs nicht so tief in das Schlagloch fällt, als wenn die Dämpfer nicht entsprechend eingestellt wären.
Selbst bei eingeschränkter senkrechter Bewegung des Rades wird immer noch eine hohe senkrechte Last verursacht, wenn das Rad auf den Rand der Straßenanomalität trifft, der sie in Fahrtrichtung zur dahinterliegenden Fahrbahn abgrenzt. Es besteht die Aufgabe, den Fahrkomfort in Bezug auf Fahrbahnanomalitäten weiter zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 8 und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die besagten Ausführungsformen und Gegenstände der Ansprüche sind dabei in vorteilhafter Weise miteinander kombinierbar.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer semi-aktiven Aufhängung mindestens eines Rades eines Fahrzeugs, die eine Anordnung eines Schwingungsdämpfers mit mindestens einem Zugventil und mindestens einem Druckventil umfasst, die mittels Aktuatoren jeweils in verschiedenen Stufen oder stufenlos zwischen harten und weichen Einstellungen verstellt werden können, mit den Schritten:

- Bewegen des Fahrzeugs,
- Erfassen einer Straßenanomalität in der in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs vorausliegenden Straßenoberfläche,
- Bestimmen der Höhenprofil-Parameter der Straßenanomalität,
- Vergleichen der Höhenprofil-Parameter der Straßenanomalität mit Bewegungs-Parametern des Rades,
- Verstellen des Zugventils in eine Einstellung, die härter ist als eine im mittleren Bereich zwischen der härtest- und weichestmöglichen liegende Einstellung, bei Erreichen einer abfallenden Flanke der Anomalität durch das Rad,
- Verstellen des Druckventils in eine Einstellung, die weicher ist als eine im mittleren Bereich zwischen der härtest- und weichestmöglichen liegende Einstellung, bei Erreichen der steigenden Flanke einer Anomalität durch das Rad.

Das Verfahren ist vorteilhaft, weil durch die Einstellung des zweiten Ventils die senkrechte Last auf die Karosserie des Fahrzeugs verringert wird. Diese Verringerung beträgt gegenüber herkömmlichen Verfahren bis zu 30%, wie durch Versuche gezeigt werden konnte (4). Weiterhin wird vorteilhaft mehr Energie aus der Längsrichtung des Fahrzeugs in die senkrechte Bewegung des entsprechenden Rades transferiert, wenn das Rad auf die steigende Flanke der Straßenanomalität trifft. Dadurch werden die Lasten der Aufhängungsbuchsen in Längsrichtung des Fahrzeugs und auch die Radrezession reduziert. Das Verfahren ist dabei nicht nur für asphaltierte Straßen vorgesehen, sondern für jede Art von Untergrund, auf denen sich ein Fahrzeug, besonders ein Kraftfahrzeug, bewegen kann. Das Verfahren kann auch mit aktiven Aufhängungen durchgeführt werden.
Unter Anomalitäten werden vor allem Vertiefungen, besonders Schlaglöcher, verstanden. Die abfallende Flanke bezieht sich auf den Teil der Anomalität, den ein Fahrzeugrad zuerst erreicht, wo es genaugenommen hineinfällt. Die steigende Flanke bezieht sich auf den Teil der Anomalität, der der abfallenden Flanke gegenüberliegt, wo das Fahrzeugrad also wieder aus der Anomalität herausgerät.
Der Begriff der Höhenprofil-Parameter einer Anomalität umfasst besonders die Tiefe der Anomalität sowie die Steilheit der Flanken der Anomalität. Der Begriff der Bewegungs-Parameter eines Rades umfasst besonders den Einfeder- und Ausfederweg sowie die Einfeder- und Ausfedergeschwindigkeit des Schwingungsdämpfers.
Bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren Zugventil in die härteste Einstellung verstellt. Wird das Zugventil in die härteste Einstellung eingestellt, wird der vorteilhafte Effekt einer harten Einstellung des Schwingungsdämpfers noch verstärkt. Wird also das Zugventil auf die härteste Einstellung eingestellt, federt der Schwingungsdämpfer weniger weit aus als bei einer weicheren Einstellung, so dass sich das entsprechende Rad zu einem geringerem Maß senkrecht in die Anomalität bewegt.
Ebenfalls bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Druckventil in die weichste Einstellung verstellt. Wird das Druckventil auf die weichste Einstellung eingestellt, wird der vorteilhafte Effekt einer weichen Einstellung noch verstärkt. Wird also das zweite Druckventil auf die weichste Einstellung eingestellt, federt der Schwingungsdämpfer weiter ein als bei einer härteren Einstellung, so dass das die Auswirkung des Kontakts des entsprechenden Rades auf die Karosserie abgemildert wird.
Vorzugsweise werden die besagten Ventile des Schwingungsdämpfers mit einer Software-gesteuerten Endanschlagskontrolle versehen. Dabei wird die Dämpfkraft auch in der weichsten Einstellung der Ventile graduell verstärkt. Besonders maßgeblich ist das Steuern einer Endanschlagskontrolle bei dem Druckventil, um zu vermeiden, dass die Aufhängung beim Auftreffen auf die steigende Flanke der Straßenanomalität hart aufschlägt.
Zum Erfassen der Anomalität und Bestimmen ihrer Höhenprofil-Parameter werden vorzugsweise Sensoren ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kameras, Laser, Lidar, Radar, Aufhängungshöhensensoren, Inertialsensoren, Radgeschwindigkeitssensoren, Straßenzustandssensoren, Lenkradwinkelsensoren, Lenkdrehmomentsensoren, Bremsdrucksensoren, verwendet. Die Auswahl ist nicht beschränkend. Die Sensoren können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Weiterhin wird in dem Verfahren bevorzugt die semi-aktive Aufhängung eines in Fahrtrichtung ersten Rades des Fahrzeugs angesteuert, indem von einer Steuereinrichtung auf der Basis der ermittelten Höhenprofil-Parameter der Anomalität ein Steuersignal zum Einstellen des Zugventils und des Druckventils an die entsprechenden Aktuatoren des Zugventils und des Druckventils gesendet wird. Ein in Fahrtrichtung erstes Rad ist bei Vorwärtsfahrt ein Vorderrad, und bei Rückwärtsfahrt ein Hinterrad. Mit anderen Worten werden von den Sensoren Signale an die Steuereinrichtung gesendet, die die Signale auswertet und Steuerbefehle an die besagten Aktuatoren erteilt. Besonders bevorzugt wird in entsprechender Weise in zeitlicher Verzögerung die semi-aktive Aufhängung eines zweiten, in Bezug auf die Fahrtrichtung hinter dem ersten Rad angeordneten Rades angesteuert.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer semi-aktiven Aufhängung eines Rades eines Fahrzeugs, die einen Schwingungsdämpfer mit mindestens einem Zugventil und mindestens einem Druckventil umfasst, die mittels Aktuatoren jeweils in verschiedenen Stufen oder stufenlos zwischen harten und weichen Einstellungen verstellt werden können, mindestens eines Sensors zum Erfassen von Straßenanomalitäten und einer Steuerungseinrichtung, wobei die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zu steuern.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
2 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugrades in Annäherung eines Fahrbahnanomalität zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 ein Diagramm zum Veranschaulichen der dämpfenden Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1 ist in 1 ein Schwingungsdämpfer 2 in einer Ausbildung mit einem Zylinder 3 und damit als Einrohr-Gasdruckschwingungsdämpfer 2 gezeigt. Der Schwingungsdämpfer 2 ist Teil eines semi-aktiven Radaufhängungssystems eines Kraftfahrzeugs. Der Schwingungsdämpfer 2 weist einen Ölvorratsraum 4 auf, der durch einen ersten Kolben 5 räumlich von einem Arbeitsraum 6 separiert, aber dabei fluide durch ein Zugventil 7 und ein Druckventil 8 mit diesem Arbeitsraum 6 verbunden ist. Durch einen zweiten Kolben, den sogenannten Trennkolben 9 ist der Arbeitsraum 6 von einem Gaspolster 10 getrennt.
Der erste Kolben 5 ist über eine Kolbenstange 11 mit gefederten Teilen des entsprechenden Fahrzeugs verbunden, besonders der Karosserie 12. Der Zylinder 3 ist mit ungefederten Teilen des entsprechenden Fahrzeugs verbunden, besonders mit einem Rad 13. Weitere, nicht gezeigte Bauteile sind im Rahmen des Radaufhängungssystems angeordnet, die zwischen den Teilen des Schwingungsdämpfers 2 und der Karosserie 12 bzw. dem Rad 13 befinden können.
Teil der Anordnung 1 ist weiterhin eine Steuereinrichtung 14. Die Steuereinrichtung 14 ist ausgebildet, Signale von mindestens einem Sensor 15 zu empfangen. Der Sensor 15 ist ein Kamerasensor, der vorgesehen ist, eine der Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorausliegende Straßenanomalität zu erfassen. Es sind auch andere und/oder weitere Sensoren möglich, die im Bereich des Fahrzeugs angeordnet sind, Straßenanomalität erfassen und an die Steuereinrichtung 14 übermitteln können. Die Steuereinrichtung 14 ist ausgebildet, die von dem oder den Sensoren 15 übermittelten Signale auszuwerten und die Steuerbefehle an die Aktuatoren des Zugventils 7 und des Druckventils 8 zu senden.
In einem Verfahren zum Steuern eines semi-aktiven Aufhängungssystems gemäß dem Flussdiagramm gemäß 2 mittels der Anordnung 1 gemäß 1 wird in einem ersten Schritt S1 das Fahrzeug bewegt. Das Fahrzeug bewegt sich damit in einer bestimmten Richtung, z.B. in Vorwärtsrichtung, wie durch den Pfeil in der Darstellung gemäß 3 indiziert. Während der Bewegung des Fahrzeugs wird dabei ständig die vorausliegende Straßenoberfläche durch den Sensor 15 untersucht. In einem zweiten Schritt S2 wird durch den Sensor 15 eine Straßenanomalität in der in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs vorausliegenden Straßenoberfläche 19 erfasst. Wie in 3 dargestellt, handelt es sich bei der besagten Straßenanomalität um ein Schlagloch 20. In einem dritten Schritt S3 werden die Höhenprofil-Parameter des Schlaglochs 20 durch den Sensor 15 erfasst und an die Steuerungseinrichtung 14 übermittelt. Die Steuerungseinrichtung 14 vergleicht in einem vierten Schritt S4 die Höhenprofil-Parameter des Schlaglochs 20 mit Bewegungs-Parametern des Rades 13, das sich auf das Schlagloch 20 zubewegt. Zu den Höhenprofil-Parametern des Schlaglochs 20 zählen z.B. die Steilheit der Flanken 21, 22 und die Tiefe des Schlaglochs 20. Zu den Parametern des Rades 13 zählen z.B. Einfeder- und Ausfederweg sowie die Einfeder- und Ausfedergeschwindigkeit des Schwingungsdämpfers, und weiterhin der Durchmesser des Rades 13, die Reifenform, das Material des Reifens, der Luftdruck im Reifen, die Geschwindigkeit des entsprechenden Fahrzeugs und der aktuelle Abstand des Fahrzeugs zum Schlagloch 20.
Auf der Basis der Parameter ermittelt die Steuerungseinrichtung 14 eine Einstellung des Zugventils 7, die geeignet ist, die senkrechte Bewegung des Rades in der Zeit des voraussichtlichen Durchquerens des Schlaglochs 20 einzuschränken. Dann sendet die Steuerungseinrichtung 14 ein Steuerungssignal an die Aktuatoren des Zugventils 7, die das Zugventil 7 in einem fünften Schritt S5 derart verstellen, dass seine Einstellung bei Erreichen der abfallenden Flanke 21 härter ist als eine im mittleren Bereich zwischen der härtest- und weichestmöglichen liegende Einstellung. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Zugventil 7 in seine härteste Einstellung verstellt.
Weiterhin ermittelt die Steuerungseinrichtung 14 eine Einstellung des Druckventils 8, die geeignet ist, die Wirkung des Auftreffens des Rades 13 auf die steigende Flanke 22 einzuschränken. Dann sendet die Steuerungseinrichtung 14 ein Steuerungssignal an die Aktuatoren des Druckventils 8, die das Druckventil 8 in einem sechsten Schritt S6 derart verstellen, das seine Einstellung bei Erreichen der steigenden Flanke 22 weicher ist als eine im mittleren Bereich zwischen der härtest- und weichestmöglichen liegende Einstellung. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Zugventil 7 in seine weichste Einstellung verstellt. Damit der Schwingungsdämpfer 2 in der weichen bzw. seiner weichsten Einstellung nicht durchschlägt, ist er mit einer Endanschlagskontrolle versehen, wobei die Einstellung bei einer Annäherung an den Endanschlag graduell verstärkt wird.
Das Verfahren ist für jedes Rad 13 des Fahrzeugs durchführbar. Besonders können die Einstellungen, die für ein erstes Rad 13 ermittelt wurden, für ein in Fahrtrichtung hinter dem ersten Rad 13 angeordnetes zweites Rad, das auf dieselbe Straßenanomalität trifft, genutzt werden.
In 4 ist die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren, wie gemäß der DE 12 2014 200 031 , die nur eine Härterstellung eines Ventils umfassen, belegt. 4 zeigt eine Simulation des Durchfahrens eines Schlagloches, wobei die vertikale Last im Bereich des Domlagers des betreffenden Rades gemessen wurde. Die gestrichelte Linie stellt die Wirkung eines herkömmlichen Verfahrens dar (bei dem nur ein Ventil zum Einstellen der Zug- und Druckstufe des Schwingungsdämpfers verwendet wird), und die durchgezogene Linie die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Wirkung ist dargestellt als Beschleunigung des Domlagers des Rades 13 (y-Achse, in ms^-2), in dem das Federbein mit der Karosserie des entsprechenden Fahrzeugs verbunden ist, als Funktion der Zeit (x-Achse, in s). Die schwarze durchgezogene Linie auf der Höhe der 0 ist zum Darstellen der Straßenoberfläche dargestellt, wobei bei die Vertiefung bei etwa 0,6 s ein Schlagloch 20 darstellt.
Die Linien verlaufen beim Erreichen und Durchfahren des Schlagloches 20 gleich, weil das erfindungsgemäße wie auch das herkömmliche Verfahren ein Härterstellen der Zugstufe umfassen. Nach dem Auftreffen auf die steigende Flanke 22 des Schlagloches 20 schlägt die Linie des erfindungsgemäßen Verfahrens mit etwa 10 ms^-2 nicht so stark aus wie die Linie des herkömmlichen Verfahrens mit etwa 14 ms^-2. Damit wird die vertikale Last im Bereich des Domlagers eines ein Schlagloch durchfahrenden Rades um etwa 30% reduziert. Daher wird die Belastung der Karosserie und damit des gefederten Teils des entsprechenden Fahrzeugs verringert und der Fahrkomfort erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Schwingungsdämpfer
3: Zylinder
4: Ölvorratsraum
5: erster Kolben
6: Arbeitsraum
7: Zugventil
8: Druckventil
9: Trennkolben
10: Gaspolster
11: Kolbenstange
12: Karosserie
13: Rad
14: Steuerungseinrichtung
15: Sensor
19: Straßenoberfläche
20: Schlagloch
21: abfallende Flanke
22: steigende Flanke

Claims

Verfahren zum Steuern einer semi-aktiven Aufhängung mindestens eines Rades (13) eines Fahrzeugs, die eine Anordnung (1) eines Schwingungsdämpfers (2) mit mindestens einem Zugventil (7) und mindestens einem Druckventil (8) umfasst, die mittels Aktuatoren jeweils in verschiedenen Stufen oder stufenlos zwischen harten und weichen Einstellungen verstellt werden können, mit den Schritten: - Bewegen des Fahrzeugs, - Erfassen einer Straßenanomalität (20) in der in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs vorausliegenden Straßenoberfläche (21), - Bestimmen der Höhenprofil-Parameter der Straßenanomalität (20), - Vergleichen der Höhenprofil-Parameter der Straßenanomalität (20) mit Bewegungs-Parametern des Rades (13), - Verstellen des Zugventils (7) in eine Einstellung, die härter ist als eine im mittleren Bereich zwischen der härtest- und weichestmöglichen liegende Einstellung, bei Erreichen einer abfallenden Flanke der Anomalität (21) durch das Rad (13), - Verstellen des Druckventils (8) in eine Einstellung, die weicher ist als eine im mittleren Bereich zwischen der härtest- und weichestmöglichen liegende Einstellung, bei Erreichen einer steigenden Flanke der Anomalität (22) durch das Rad (13).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Zugventil (7) in die härteste Einstellung verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Druckventil (8) in die weicheste Einstellung verstellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ventile (7; 8) mit einer Software-gesteuerten Endanschlagskontrolle versehen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zum Erfassen der Anomalität und Bestimmen ihrer Höhenprofil-Parameter Sensoren (15) ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kameras, Laser, Lidar, Radar, Aufhängungshöhensensoren, Inertialsensoren, Radgeschwindigkeitssensoren, Straßenzustandssensoren, Lenkradwinkelsensoren, Lenkdrehmomentsensoren, Bremsdrucksensoren, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die semi-aktive Aufhängung eines in Fahrtrichtung ersten Rades (13) des Fahrzeugs angesteuert wird, indem von einer Steuereinrichtung (14) auf der Basis der ermittelten Höhenprofil-Parameter der Anomalität (20) ein Steuersignal zum Einstellen des Zugventils (7) und des Druckventils (8) an die entsprechenden Aktuatoren des Zugventils (7) und des Druckventils (8) gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei in entsprechender Weise in zeitlicher Verzögerung die semi-aktive Aufhängung eines zweiten, in Bezug auf die Fahrtrichtung hinter dem ersten Rad angeordneten Rades angesteuert wird.
Anordnung (1) einer semi-aktiven Aufhängung eines Rades (13) eines Fahrzeugs, die einen Schwingungsdämpfer (2) mit mindestens einem Zugventil (7) und mindestens einem Druckventil (8) umfasst, die mittels Aktuatoren jeweils in verschiedenen Stufen oder stufenlos zwischen harten und weichen Einstellungen verstellt werden können, mindestens eines Sensors (15) zum Erfassen von Straßenanomalitäten (20) und einer Steuerungseinrichtung (14), wobei die Steuerungseinrichtung (14) ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 – 7 zu steuern.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß Anspruch 8.