DE102021131579A1 - Method for controlling or regulating a controllable bearing of a vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines ansteuerbaren Lagers (6) eines Fahrzeugs (1), wobei das Fahrzeug (1) ein Fahrwerk (2), einen gegenüber dem Fahrwerk (2) elastisch gelagerten Aufbau (3) und eine Masse (4) aufweist, wobei die Masse (4) über zumindest ein ansteuerbaren Lager (6) gegenüber dem Aufbau (3) elastisch gelagert ist, umfassend die folgenden Schritte: Erfassen zumindest einer Regelgröße, die eine Bewegung des Aufbaus (3), des Fahrwerks (2) oder einer im Aufbau (3) befindlichen Person wiedergibt, Ermitteln einer Stellgröße basierend auf der Regelgröße zur Tilgung der über die Regelgröße erfassten Bewegung, und Ansteuern des zumindest einen ansteuerbaren Lagers (6) basierend auf der Stellgröße.The invention relates to a method for controlling or regulating a controllable bearing (6) of a vehicle (1), the vehicle (1) having a chassis (2), a structure (3) which is elastically mounted relative to the chassis (2), and a mass ( 4), wherein the mass (4) is mounted elastically in relation to the body (3) via at least one controllable bearing (6), comprising the following steps: detecting at least one controlled variable that indicates a movement of the body (3), the chassis ( 2) or a person located in the structure (3), determining a manipulated variable based on the controlled variable to cancel the movement detected via the controlled variable, and controlling the at least one controllable bearing (6) based on the manipulated variable.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines ansteuerbaren Lagers, insbesondere eines Motorlagers, in einem Fahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das insbesondere zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.The present invention relates to a method for controlling or regulating a controllable mount, in particular an engine mount, in a vehicle. Furthermore, the invention relates to a vehicle that is designed in particular to carry out the method.

In Fahrzeugen nach dem Stand der Technik werden die Antriebseinheiten, beispielsweise der Motor mit angeflanschtem Getriebe, üblicherweise über mehrere Motorlager gegenüber dem Aufbau elastisch gelagert. Dabei können semi-aktive Lager verwendet werden, die in ihrem Dämpfungsgrad verstellbar sind. Beispielhaft zeigt hierzu EP 1 249 637 B1 eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen an einem bewegten System, bei dem eine magnetorheologische Flüssigkeit in einem semi-aktiven Lager dazu genutzt wird, um die Schwingung eines Motors zu reduzieren.In vehicles according to the state of the art, the drive units, for example the engine with a flange-mounted gearbox, are usually mounted elastically in relation to the body via a number of engine mounts. In this case, semi-active bearings can be used, which are adjustable in terms of their degree of damping. This is shown as an example EP 1 249 637 B1 a device for suppressing vibrations in a moving system, in which a magnetorheological fluid in a semi-active bearing is used to reduce the vibration of a motor.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines ansteuerbaren Lagers eines Fahrzeugs anzugeben, dass einen sicheren und komfortablen Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe vorliegender Erfindung ein entsprechendes Fahrzeug mit ansteuerbarem Lager anzugeben, das ebenfalls einen sicheren und komfortablen Betrieb ermöglicht.It is the object of the present invention to specify a method for controlling or regulating a controllable bearing of a vehicle that enables safe and comfortable operation of the vehicle. Furthermore, it is the object of the present invention to specify a corresponding vehicle with a controllable bearing, which also enables safe and comfortable operation.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.The object is solved by the features of the independent claims. The dependent claims relate to preferred developments of the invention.

Somit wird die Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines ansteuerbaren Lagers eines Fahrzeugs. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein zweispuriges Straßenfahrzeug, insbesondere einen PKW.The invention is thus achieved by a method for controlling or regulating a controllable bearing of a vehicle. The vehicle is preferably a two-lane road vehicle, in particular a passenger car.

Es werden folgende vier Lager im Fahrzeugbereich voneinander unterschieden: Das „passive Lager“ ist beispielsweise ein Elastomerlager oder ein hydraulisches Lager. Das „schaltbare Lager“ kann Eigenschaften des Lagers (z.B. Dämpfung oder Steifigkeit) in diskreten Schritten verändern. Das „semi-aktive Lager“ kann Eigenschaften des Lagers (z.B. Dämpfung oder Steifigkeit) kontinuierlich verändern und ist beispielsweise als magnethoreologisches Lager ausgebildet. Das „aktive Lager“ kann sowohl Eigenschaften des Lagers (z.B. Dämpfung oder Steifigkeit) kontinuierlich verändern als auch aktiv Kräfte mittels eines Kraft-Aktuators stellen.A distinction is made between the following four bearings in the vehicle sector: The "passive bearing" is, for example, an elastomer bearing or a hydraulic bearing. The "switchable mount" can change the properties of the mount (e.g. damping or stiffness) in discrete steps. The "semi-active bearing" can continuously change the properties of the bearing (e.g. damping or stiffness) and is designed, for example, as a magneto-reological bearing. The "active mount" can both continuously change the properties of the mount (e.g. damping or stiffness) and actively set forces using a force actuator.

Das zumindest eine erfindungsgemäße „ansteuerbare Lager“ kann grundsätzlich jedes Lager sein, das durch eine entsprechende Ansteuerung in seinen Eigenschaften verstellbar ist und/oder mittels eines Kraft-Aktuators Kräfte stellen kann. Insbesondere weist das ansteuerbare Lager einen Verstell-Aktuator auf, der entsprechend ansteuerbar ist und die Eigenschaft des Lagers ändern kann. Insbesondere ist das ansteuerbare Lager elektronisch ansteuerbar.The at least one “controllable bearing” according to the invention can in principle be any bearing whose properties can be adjusted by means of a corresponding control and/or can provide forces by means of a force actuator. In particular, the controllable bearing has an adjustment actuator that can be correspondingly controlled and can change the property of the bearing. In particular, the controllable bearing can be controlled electronically.

Insbesondere ist das zumindest eine erfindungsgemäße „ansteuerbare Lager“ ein aktive Lager oder ein semi-aktives Lager oder ein schaltbares Lager.In particular, the at least one “controllable bearing” according to the invention is an active bearing or a semi-active bearing or a switchable bearing.

Das Fahrzeug, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommt, umfasst ein Fahrwerk und einen Aufbau. Das Fahrwerk umfasst insbesondere vier Räder, die über entsprechende Feder-Dämpfersysteme direkt gegenüber dem Aufbau oder mittels eines Hilfsrahmens gegenüber dem Aufbau gelagert sind. Aufgrund dieser elastischen Lagerung des Fahrwerks relativ zum Aufbau ergibt sich durch die Straßenanregung bei Benutzung des Fahrzeugs eine entsprechende Schwingung des Aufbaus. Des Weiteren sieht das Verfahren vor, dass sich in dem Fahrzeug eine Masse befindet. Bei der Masse handelt es sich insbesondere um eine Antriebseinheit, die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Die Masse ist über das zumindest eine ansteuerbare Lager gegenüber dem Aufbau elastisch gelagert. Die Erfindung wird der Übersichtlichkeit halber anhand eines ansteuerbaren Lagers zwischen der Masse und dem Aufbau beschrieben. Allerdings ist es auch möglich, dass mehrere baugleiche oder mehrere unterschiedliche ansteuerbare Lager zur Aufnahme der Masse im Aufbau eingesetzt werden und mehrere dieser ansteuerbaren Lager entsprechend der hier vorgestellten Erfindung angesteuert werden.The vehicle in which the method according to the invention is used includes a chassis and a body. The chassis includes, in particular, four wheels, which are mounted directly opposite the body by means of corresponding spring damper systems or by means of an auxiliary frame opposite the body. Due to this elastic mounting of the chassis relative to the body, the excitation on the road when the vehicle is in use results in a corresponding vibration of the body. Furthermore, the method provides that there is a mass in the vehicle. The mass is in particular a drive unit that is used to drive the vehicle. The mass is mounted elastically in relation to the structure via the at least one controllable bearing. For the sake of clarity, the invention is described using a controllable bearing between the mass and the structure. However, it is also possible that several structurally identical or several different controllable bearings are used to accommodate the mass in the structure and several of these controllable bearings are controlled according to the invention presented here.

Die grundlegende Idee der Erfindung basiert darauf, dass die Schwingung der aktiv gelagerten Masse nicht zwangsläufig reduzieren werden muss, sondern dass die von den Insassen im Fahrzeug wahrgenommene Bewegung, insbesondere Schwingung, ausschlaggebend ist und möglichst zu reduzieren ist. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die im Fahrzeug befindliche Masse, zumindest in bestimmten Betriebszuständen, als Tilger eingesetzt, um die Schwingung des Aufbaus möglichst weit zu reduzieren. Hierzu sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:

  1. (i) Zunächst erfolgt ein Erfassen zumindest einer Regelgröße. Diese Regelgröße basiert auf einer Bewegung, insbesondere einer Beschleunigung, des Aufbaus, des Fahrwerks oder einer im Aufbau befindlichen Person (Insasse). Es können mehrere Regelgrößen am Aufbau oder mehrere Regelgrößen am Fahrwerk oder mehrere Regelgrößen an der im Aufbau befindlichen Person erfasst werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Regelgrößen unterschiedlicher Komponenten, also des Aufbaus, des Fahrwerks und/oder einer im Aufbau befindlichen Person zu erfassen und für die Ermittlung der Stellgröße zu nutzen. Der Aufbau des Fahrzeugs umfasst zumindest die Karosserie.
The basic idea of the invention is based on the fact that the vibration of the actively mounted mass does not necessarily have to be reduced, but that the movement perceived by the occupants in the vehicle, in particular vibration, is decisive and should be reduced as far as possible. In order to achieve this goal, the mass in the vehicle is increased, at least in certain operating modes stands, used as absorbers to reduce the vibration of the body as much as possible. The following procedural steps are provided for this:
  1. (i) First, at least one controlled variable is detected. This controlled variable is based on a movement, in particular an acceleration, of the body, the chassis or a person (occupant) located in the body. Several control variables on the body or several control variables on the chassis or several control variables on the person in the body can be recorded. In addition, it is also possible to record the controlled variables of different components, ie the body, the chassis and/or a person located in the body, and to use them to determine the manipulated variable. The structure of the vehicle includes at least the body.

Die Bewegung der Karosserie als Regelgröße kann beispielsweise mit einem Beschleunigungssensor an der Karosserie erfasst werden. Hierzu kann für das erfindungsgemäße Verfahren ein eigener Sensor verbaut werden; allerdings ist es auch möglich einen ohnehin im Fahrzeug vorhandenen Sensor zu nutzen. Des Weiteren kann der Aufbau des Fahrzeugs auch einen Sitz umfassen, wobei die Regelgröße über einen entsprechenden Sensor, insbesondere Beschleunigungssensor, am Sitz erfasst wird. Durch Erfassen der Regelgröße unmittelbar am Sitz wird relativ genau die auf den Insassen einwirkende Bewegung, insbesondere Schwingung oder Beschleunigung, erfasst. Um noch genauer eine hinsichtlich des Insassen wahrnehmungsbasierte Regelgröße zu ermitteln, kann auch direkt an der im Aufbau befindlichen Person die Bewegung, insbesondere Schwingung bzw. Beschleunigung, erfasst werden. Beispielsweise über einen optischen Sensor, insbesondere Kamera, kann vorzugsweise die Regelgröße unmittelbar am Insassen erfasst werden.

  • (ii) Basierend auf der erfassten Regelgröße oder basierend auf den mehreren erfassten Regelgrößen wird in einem Regler eine Stellgröße ermittelt, insbesondere berechnet. Diese Stellgröße wird dabei so ermittelt, dass bei Ansteuerung des zumindest einen ansteuerbaren Lagers eine Tilgung der über die Regelgröße erfassten Bewegung mittels der schwingenden Masse erfolgt.
  • (iii) Basierend auf der ermittelten Stellgröße erfolgt ein Ansteuern des zumindest einen ansteuerbaren Lagers, um die Masse, insbesondere die Antriebseinheit, zur Tilgung der über die Regelgröße erfassten Bewegung des Aufbaus und/oder des Fahrwerks und/oder des Insassen zu erreichen. Im Rahmen der Erfindung ist somit nicht vorgesehen, dass die Schwingung der Masse möglichst schnell oder effizient gedämpft wird. Vielmehr basiert die Regelgröße (Zielgröße) darauf, die von den Insassen wahrgenommene Bewegung, insbesondere Beschleunigung oder Schwingung, zu reduzieren.
The movement of the body as a controlled variable can be detected, for example, with an acceleration sensor on the body. For this purpose, a separate sensor can be installed for the method according to the invention; however, it is also possible to use a sensor that is already present in the vehicle. Furthermore, the structure of the vehicle can also include a seat, with the controlled variable being detected by a corresponding sensor, in particular an acceleration sensor, on the seat. By detecting the controlled variable directly on the seat, the movement acting on the occupant, in particular vibration or acceleration, is detected relatively precisely. In order to determine a control variable that is based on the perception of the occupant even more precisely, the movement, in particular vibration or acceleration, can also be recorded directly on the person in the body. For example, via an optical sensor, in particular a camera, the controlled variable can preferably be detected directly on the occupant.
  • (ii) Based on the detected controlled variable or based on the multiple detected controlled variables, a manipulated variable is determined, in particular calculated, in a controller. This manipulated variable is determined in such a way that when the at least one controllable bearing is activated, the movement detected via the controlled variable is canceled by means of the oscillating mass.
  • (iii) Based on the determined manipulated variable, the at least one controllable bearing is actuated in order to reach the mass, in particular the drive unit, for absorbing the movement of the body and/or the chassis and/or the occupant detected via the controlled variable. The invention therefore does not provide for the vibration of the mass to be damped as quickly or efficiently as possible. Rather, the controlled variable (target variable) is based on reducing the movement perceived by the occupants, in particular acceleration or vibration.

Wie bereits beschrieben, handelt es sich bei der Masse im Fahrzeug vorzugsweise um die Antriebseinheit des Fahrzeugs. Die Antriebseinheit umfasst insbesondere einen Verbrennungsmotor und/oder einen Elektromotor und/oder ein Getriebe und/oder eine Brennstoffzellenaggregat. Weitere Bestandteile des Antriebsstrangs können Bestandteil der Antriebseinheit sein. So wird insbesondere keine zusätzliche Masse zum Tilgen in das Fahrzeug eingebracht, sondern es wird eine ohnehin schon im Fahrzeug befindliche Masse, nämlich die Antriebseinheit, zur Tilgung der Schwingung verwendet.As already described, the mass in the vehicle is preferably the drive unit of the vehicle. The drive unit comprises in particular an internal combustion engine and/or an electric motor and/or a transmission and/or a fuel cell unit. Other components of the drive train can be part of the drive unit. In particular, no additional mass is introduced into the vehicle for damping purposes, but a mass that is already in the vehicle, namely the drive unit, is used to dampen the vibration.

Insbesondere erfolgt die Tilgung dadurch, dass das ansterubare Lager derart angesteuert wird, so dass eine Bewegungsrichtung der Masse einer Bewegungsrichtung der über die Regelgröße erfassten Bewegung entgegengesetzt ist.In particular, the eradication takes place in that the controllable bearing is controlled in such a way that a direction of movement of the mass is opposite to a direction of movement of the movement detected via the controlled variable.

Wie bereits diskutiert, wird die Masse, insbesondere Antriebseinheit, bei herkömmlichen Fahrzeugen möglichst schnell gedämpft. Im Rahmen vorliegender Erfindung ist jedoch bevorzugt vorgesehen, dass, in bestimmten Betriebszuständen ein Schwingen der Masse begünstigt wird, insbesondere, wenn dies den wahrgenommenen Schwingungskomfort für den Insassen verbessert. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich die Bewegungsrichtungen der Masse und der über die Regelgröße erfassten Bewegung unterscheiden und dadurch eine effiziente Tilgung möglich ist.As already discussed, the mass, in particular the drive unit, is dampened as quickly as possible in conventional vehicles. In the context of the present invention, however, provision is preferably made for the mass to vibrate in certain operating states, in particular if this improves the perceived vibration comfort for the occupant. This is particularly the case when the directions of movement of the mass and the movement detected via the controlled variable differ and efficient cancellation is possible as a result.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Stellgröße zur Tilgung der über die Regelgröße erfassten Bewegung zumindest in einem Frequenzbereich von 5 Hz bis 50 Hz ermittelt wird. Insbesondere in diesem Frequenzbereich kann die Masse, insbesondere die Antriebseinheit, als effizienter Tilger eingesetzt werden.It is preferably provided that the manipulated variable for canceling the movement detected via the controlled variable is determined at least in a frequency range from 5 Hz to 50 Hz. In this frequency range in particular, the mass, in particular the drive unit, can be used as an efficient absorber.

Zusätzlich zu der beschriebenen Regelgröße ist es möglich, eine Zusatzgröße zu erfassen. Die Zusatzgröße basiert auf einer Bewegung der Masse. Bei der Ermittlung der Stellgröße im Regler kann dadurch die Stellgröße nicht nur auf der Regelgröße, sondern vorzugsweise zusätzlich auf dieser Zusatzgröße basieren.In addition to the controlled variable described, it is possible to record an additional variable. The additional quantity is based on a movement of the mass. When determining the manipulated variable in the controller, the manipulated variable can be based not only on the controlled variable, but preferably also on this additional variable.

Das Ermitteln der Stellgröße im Regler basiert vorzugsweise auf einem der folgenden Steuer- oder Regelansätze: Feedforward Control, insbesondere FxLMS (Filtered x Least Mean Squared), Optimal Control, insbesondere LQR (linear-quadratischer Regler) oder LQG (linear-quadratic-gaussian regulator), Predictive Control, insbesondere MPC (Modellprädiktive Regelung), Robust Control, insbesondere H∞ Control, oder Intelligent Control, insbesondere Fuzzy Logic oder Regler mit künstlichen neuronalen Netzen.The determination of the manipulated variable in the controller is preferably based on one of the following control or regulation approaches: Feedforward Control, in particular FxLMS (Filtered x Least Mean Squared), Optimal Control, in particular LQR (linear quadratic regulator) or LQG (linear quadratic gaussian regulator ), predictive control, in particular MPC (model predictive control), robust control, in particular H∞ control, or intelligent control, in particular fuzzy logic or controllers with artificial neural networks.

Die Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug, insbesondere ausgebildet zur Durchführung des vorab beschriebenen Verfahrens. Die im Rahmen des Verfahrens beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und die zugehörigen Ansprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das Fahrzeug.The invention also includes a vehicle, in particular designed to carry out the method described above. The advantageous refinements described in the context of the method and the associated claims are correspondingly advantageously applied to the vehicle.

Das Fahrzeug umfasst ein Fahrwerk, einen gegenüber dem Fahrwerk elastisch gelagerten Aufbau, eine Masse, insbesondere Antriebseinheit, und zumindest ein ansteuerbares Lager, wobei die Masse über das zumindest eine ansteuerbare Lager gegenüber dem Aufbau elastisch gelagert ist. Insbesondere ist das Fahrzeug aufgebaut, wie es im Rahmen des Verfahrens bereits beschrieben wurde.The vehicle includes a chassis, a body elastically mounted relative to the chassis, a mass, in particular a drive unit, and at least one controllable bearing, the mass being elastically mounted relative to the body via the at least one controllable bearing. In particular, the vehicle is constructed as already described in the context of the method.

Des Weiteren umfasst das Fahrzeug eine Erfassungseinheit zum Erfassen der zumindest einen Regelgröße, die eine Bewegung des Aufbaus, des Fahrwerks oder eines Insassen wiedergibt; einen Regler zum Ermitteln der Stellgröße basierend auf der Regelgröße zur Tilgung der über die Regelgröße erfassten Bewegung; und eine Steuereinheit zum Ansteuern des zumindest einen ansteuerbaren Lagers basierend auf der Stellgröße.Furthermore, the vehicle includes a detection unit for detecting the at least one controlled variable, which reflects a movement of the body, the chassis or an occupant; a controller for determining the manipulated variable based on the controlled variable for canceling the movement detected via the controlled variable; and a control unit for controlling the at least one controllable bearing based on the manipulated variable.

Die Erfassungseinheit, der Regler und die Steuereinheit können zusammen in einer Recheneinheit integriert sein. Des Weiteren ist es möglich, die einzelnen Einheiten in separaten Recheneinheiten bzw. Steuergeräten anzuordnen.The detection unit, the regulator and the control unit can be integrated together in a computing unit. Furthermore, it is possible to arrange the individual units in separate computing units or control devices.

Die Einheiten können teilweise oder vollständig durch Hardware und/oder Software realisiert werden. Des Weiteren ist es möglich, Teile der Berechnung der Erfassungseinheit und/oder des Reglers und/oder der Steuereinheit in eine Cloud auszulagern, wobei das Fahrzeug über eine entsprechende Datenverbindung mit der Cloud verbunden ist.The units can be partially or fully realized by hardware and/or software. Furthermore, it is possible to outsource parts of the calculation of the detection unit and/or the regulator and/or the control unit to a cloud, with the vehicle being connected to the cloud via a corresponding data connection.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

  • 1 eine rein schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 ein Diagramm zur Darstellung der Krafteinleitung von der Antriebseinheit auf den Aufbau,
  • 3 ein Diagramm zur Darstellung einer translatorischen Beschleunigung des Aufbaus,
  • 4 ein Diagramm zur Darstellung einer rotatorischen Beschleunigung des Aufbaus,
  • 5 ein Diagramm zur Darstellung der verbesserten Wahrnehmung des Schwingungskomforts bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 6 ein Detail einer Recheneinheit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Further details, features and advantages of the invention result from the following description and the figures. Show it:
  • 1 a purely schematic view of a vehicle according to the invention for carrying out the method according to the invention,
  • 2 a diagram showing the introduction of force from the drive unit to the body,
  • 3 a diagram to show a translational acceleration of the structure,
  • 4 a diagram to show a rotational acceleration of the structure,
  • 5 a diagram showing the improved perception of the vibration comfort when the method according to the invention is carried out, and
  • 6 a detail of a computing unit for carrying out a method according to the invention.

Im Folgenden wird anhand der 1 bis 6 ein Fahrzeug 1 und das darin durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren vorgestellt.The following is based on the 1 until 6 a vehicle 1 and the method according to the invention carried out therein are presented.

1 zeigt rein schematisch die hier wesentlichen Bestandteile des Fahrzeugs 1. Das Fahrzeug 1 umfasst ein Fahrwerk 2 und einen Aufbau 3. Das Fahrwerk 2 ist über entsprechende Federdämpfersysteme 5 in üblicher Weise mit dem Aufbau 3 verbunden. Über dieses Fahrwerk 2 und die Federdämpfersysteme 5 ergibt sich eine entsprechende schwingende Bewegung des Aufbaus 3. 1 shows purely schematically the essential components of the vehicle 1 here. The vehicle 1 comprises a chassis 2 and a body 3. The chassis 2 is connected to the body 3 in the usual way via corresponding spring damper systems 5. This chassis 2 and the spring damper systems 5 result in a corresponding oscillating movement of the superstructure 3.

Des Weiteren zeigt die schematische Darstellung des Fahrzeugs 1 in 1, dass das Fahrzeug 1 eine Antriebseinheit 4 umfasst, die allgemein als Masse bezeichnet werden kann. Bei der Antriebseinheit 4 handelt es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor und/oder ein Getriebe und/oder ein Brennstoffzellenaggregat. Die Antriebseinheit 4 ist über mehrere ansteuerbare Lager 6, insbesondere aktive oder semi-aktive Lager, mit dem Aufbau 3 verbunden. Die ansteuerbaren Lager 6 sind entsprechend ansteuerbar, so dass der Dämpfungsgrad und/oder die Federsteifigkeit der ansteuerbaren Lager 6 verstellt werden kann oder eine Kraft erzeugt und eingeleitet werden kann.Furthermore, the schematic representation of the vehicle 1 in 1 that the vehicle 1 comprises a drive unit 4, which can be generally referred to as mass. The drive unit 4 is, for example, an internal combustion engine and/or an electric motor and/or a transmission and/or a fuel cell unit. The drive unit 4 is connected to the structure 3 via a plurality of controllable bearings 6, in particular active or semi-active bearings. The controllable bearings 6 can be controlled accordingly, so that the degree of damping and/or the spring stiffness of the controllable bearings 6 can be adjusted or a force can be generated and introduced.

Des Weiteren umfasst das Fahrzeug 1 eine Recheneinheit 8. Bestandteil dieser Recheneinheit 8 sind eine Erfassungseinheit 9, ein Regler 10 und eine Steuereinheit 11.Vehicle 1 also includes a computing unit 8. A detection unit 9, a controller 10 and a control unit 11 are part of this computing unit 8.

Mittels der Erfassungseinheit 9 wird eine Regelgröße am Fahrzeug 1 erfasst. Beispielhaft zeigt die Darstellung in 1 einen Sensor 7, insbesondere Beschleunigungssensor, am Aufbau 3. Mittels dieses Sensors 7 kann die Erfassungseinheit 9 als Regelgröße die Bewegung, insbesondere Beschleunigung, des Aufbaus 3 über der Zeit erfassen. Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits diskutiert wurde, können an unterschiedlichen Positionen des Aufbaus 3, so beispielsweise auch im Sitz, und/oder unmittelbar an der im Aufbau befindlichen Person Bewegungswerte als Regelgröße erfasst werden.A control variable on the vehicle 1 is detected by means of the detection unit 9 . The illustration in shows an example 1 a sensor 7, in particular an acceleration sensor, on the structure 3. By means of this sensor 7, the detection unit 9 can detect the movement, in particular acceleration, of the structure 3 over time as a controlled variable. As has already been discussed in the general part of the description, movement values can be recorded as controlled variables at different positions of the structure 3, for example also in the seat, and/or directly on the person located in the structure.

In der Recheneinheit 8 errechnet der Regler 10 basierend auf der zumindest einen Regelgröße die Steuergröße. Mittels dieser Steuergröße kann die Steuereinheit 11 die ansteuerbaren Lager 6 derart ansteuern, dass die Antriebseinheit 4 als Tilger zur Reduzierung der Bewegung des Aufbaus 3 genutzt werden kann.In the arithmetic unit 8, the controller 10 calculates the controlled variable based on the at least one controlled variable. The control unit 11 can use this control variable to control the controllable bearings 6 in such a way that the drive unit 4 can be used as an absorber to reduce the movement of the body 3 .

Im Regler 10 können grundsätzlich sehr unterschiedliche Steuer- und Regelansätze zur Anwendung kommen, die es ermöglichen, basierend auf der Regelgröße die Masse, insbesondere Antriebseinheit 4, tilgend zur Reduzierung der Bewegung des Aufbaus 3 einzusetzen. Beispielhaft werden hierzu im Folgenden zwei Ansätze genauer beschrieben, die vorteilhaft anzuwendende Steuer- und Regelansätze beschreiben, die in Simulationen auf Ihre Eignung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens überprüft wurden.In principle, very different control and regulation approaches can be used in controller 10, which make it possible, based on the controlled variable, to use the mass, in particular drive unit 4, to reduce the movement of body 3. In the following, two approaches are described in more detail by way of example, which describe control and regulation approaches to be used advantageously, which were checked in simulations for their suitability within the scope of the method according to the invention.

Der Regler 10 kann ein linear-quadratischer Regler (LQR) sein, bei dem eine Kostenfunktion V(u) mit unterschiedlichem Zeithorizont mit Hilfe zweier Gewichtungsmatrizen Q und R minimiert wird, um die optimale Stellgröße u zu finden. Im Wesentlichen basiert der linear-quadratischer Regler 10 auf folgender Formel: min u V ( u ) = min u 0 ( x T Q x + u T R u ) d t

Figure DE102021131579A1_0001
The controller 10 can be a linear-quadratic controller (LQR) in which a cost function V(u) with a different time horizon is minimized using two weighting matrices Q and R in order to find the optimal manipulated variable u. Essentially, the linear-quadratic controller 10 is based on the following formula: at least and V ( and ) = at least and 0 ( x T Q x + and T R and ) i.e t
Figure DE102021131579A1_0001

Die beiden Gewichtungsmatrizen Q und R werden dabei für die zugehörige Fahrzeugkonfiguration in Versuchen und/oder Simulationen ermittelt und entsprechend im Regler 10 hinterlegt. Bei dem Vektor x handelt es sich um die Zustände des Systems.The two weighting matrices Q and R are determined for the associated vehicle configuration in tests and/or simulations and stored in controller 10 accordingly. The vector x is the states of the system.

Bei diesem Regelansatz kann die Krafteinleitung der Antriebseinheit 4 im Vergleich zu einer passiven, z.B. hydraulischen Lagerung reduziert werden und insbesondere tilgend auf die Achskräfte wirken. 2 zeigt als „hyd Aufbau“ die auf den Aufbau 3 wirkenden Summenkräfte bei Verwendung einer herkömmlichen hydraulischen Lagerung. Die Einzelkraft bei der herkömmlichen hydraulischen Lagerung an der Antriebseinheit 4 ist als „hyd Antriebseinheit“ eingezeichnet.With this control approach, the introduction of force from the drive unit 4 can be reduced in comparison to a passive, for example hydraulic, bearing and, in particular, can have an absorbing effect on the axle forces. 2 shows the total forces acting on structure 3 when using a conventional hydraulic bearing as “hyd structure”. The individual force in the conventional hydraulic bearing on the drive unit 4 is shown as "hyd drive unit".

Des Weiteren zeigt 2 die Werte bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung der ansteuerbaren Lager 6, insbesondere bei Verwendung des linearquadratischen Reglers 10. „LQR Aufbau“ zeigt dabei die Summenkräfte am Aufbau 3. „LQR Antriebseinheit“ zeigt die Einzelkraft an der Antriebseinheit 4. Dabei ist insbesondere im Frequenzbereich zwischen 14 Hz und 18 Hz deutlich zu sehen, dass durch den Regler 10 die Stellgröße so gewählt wird, dass sich eine entgegengesetzte Kraftrichtung, insbesondere somit auch entgegengesetzte Bewegungsrichtung, von Aufbau 3 und Antriebseinheit 4 ergibt, wodurch es zur Tilgung der Bewegung des Aufbaus 3 kommt. Furthermore shows 2 the values when using the method according to the invention for controlling the controllable bearing 6, in particular when using the linear-quadratic controller 10. "LQR structure" shows the total forces on the structure 3. "LQR drive unit" shows the individual force on the drive unit 4 Frequency range between 14 Hz and 18 Hz clearly shows that the manipulated variable is selected by the controller 10 in such a way that an opposite direction of force, and in particular therefore also an opposite direction of movement, results from structure 3 and drive unit 4, which means that the movement of the structure is eliminated 3 is coming.

3 und 4 zeigen ebenfalls den Vergleich zwischen einer herkömmlichen Lagerung der Antriebseinheit 4 über hydraulische Lager und der erfindungsgemäßen Steuerung der ansteuerbaren Lager 6, im konkreten Beispiel mittels des linearquadratischen Reglers 10. 3 and 4 also show the comparison between a conventional bearing of the drive unit 4 via hydraulic bearings and the control of the controllable bearings 6 according to the invention, in the specific example by means of the linear-quadratic controller 10.

3 zeigt die Beschleunigung des Aufbaus 3 in Fahrzeughochrichtung über der Frequenz. Eingezeichnet sind mit „hyd“ die Beschleunigung des Aufbaus 3 bei der herkömmlichen Lagerung und mit „LQR“ die Beschleunigung des Aufbaus 3 mit LQ-Regler 10. Hierbei ist gut zu sehen, dass in einem relativ breiten Frequenzbereich eine starke Reduzierung der Beschleunigung des Aufbaus 3 durch Tilgung über die entsprechende Ansteuerung der ansteuerbaren Lager 6 der Antriebseinheit 4 ermöglicht werden kann. 3 shows the acceleration of the body 3 in the vertical direction of the vehicle over the frequency. The acceleration of structure 3 with the conventional bearing is marked with "hyd" and the acceleration of structure 3 with LQ controller 10 with "LQR". It is easy to see that in a relatively wide frequency range there is a strong reduction in the acceleration of the structure 3 can be made possible by repayment via the corresponding control of the controllable bearing 6 of the drive unit 4.

In 4 ist die rotatorische Beschleunigung um die Hochachse über der Frequenz dargestellt. Mit „hyd“ ist wiederum die Beschleunigung des Aufbaus 3 bei der herkömmlichen hydraulischen Lagerung gezeigt. „LQR“ zeigt die Beschleunigung des Aufbaus 3 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit LQ-Regler 10. Auch bei Betrachtung der rotatorischen Bewegung kann in einem sehr breiten Frequenzbereich eine starke Reduzierung der Bewegung des Aufbaus 3 durch den LQ-Regler 10 erreicht werden.In 4 the rotational acceleration around the vertical axis is shown over the frequency. The acceleration of the structure 3 with the conventional hydraulic bearing is again shown with “hyd”. "LQR" shows the acceleration of assembly 3 using the method of the present invention rens with LQ controller 10. Even when considering the rotational movement, a strong reduction in the movement of the structure 3 can be achieved by the LQ controller 10 in a very wide frequency range.

Eine von den Insassen wahrgenommene Verbesserung des Schwingungskomforts kann z.B. mit Hilfe des Overall Vibration Total Values nach ISO 2631-1 berechnet werden. Dies wurde im Rahmen der vorstehend erläuterten Versuche mit dem LQ-Regler 10 durchgeführt. Dabei ergab sich das Ergebnis gemäß 5, wonach der Wert des Overall Vibration Total Values bei Verwendung der herkömmlichen hydraulischen Lagerung über 0,25 lag. Demgegenüber konnte bei Verwendung des LQ-Reglers 10 der Overall Vibration Total Value von ca. 0,2 erreicht werden.An improvement in vibration comfort perceived by the occupants can be calculated using the overall vibration total value according to ISO 2631-1, for example. This was carried out as part of the experiments with the LQ controller 10 explained above. The result was as follows 5 , according to which the value of the overall vibration total value was over 0.25 when using the conventional hydraulic mounting. In contrast, when using the LQ controller 10, the overall vibration total value of approx. 0.2 was achieved.

Darüber hinaus wurde das erfindungsgemäße Verfahren mit einem modellprädikativen Regler (MPC) durchgeführt, und auch dabei eine signifikante Verbesserung des Schwingungskomforts erreicht. Bei der Ausbildung des Reglers 10 als modellprädikativer Regler wird insbesondere eine Kostenfunktion V(u) mit endlichem Zeithorizont mithilfe einer online Optimierung der Stellgröße u minimiert. Diese online Optimierung wird während des Betriebs des Fahrzeugs im Regler 10 durchgeführt. Der modellprädikative Regler 10 optimiert die Stellgröße u insbesondere basierend auf folgender Formel: V = i = 1 N p ( y T p r e d ( k + i ) Q   y p r e d ( k + i ) )   + i = 1 N u ( Δ u T ( k + i ) R 1 Δ u ( k + i ) ) + i = 1 N u ( u T ( k + i ) R 2 u ( k + i ) )

Figure DE102021131579A1_0002
In addition, the method according to the invention was carried out using a model predictive controller (MPC), and a significant improvement in vibration comfort was also achieved in this way. When the controller 10 is designed as a model-predicative controller, a cost function V(u) with a finite time horizon is minimized using online optimization of the manipulated variable u. This online optimization is carried out in controller 10 during operation of the vehicle. The model predictive controller 10 optimizes the manipulated variable u based in particular on the following formula: V = i = 1 N p ( y T p right e i.e ( k + i ) Q y p right e i.e ( k + i ) ) + i = 1 N and ( Δ and T ( k + i ) R 1 Δ and ( k + i ) ) + i = 1 N and ( and T ( k + i ) R 2 and ( k + i ) )
Figure DE102021131579A1_0002

Dabei ist: V: Kostenfunktion; i: Iterationsvariable; Np: vorhersage Horizont; ypred: vorhersage Systemausgangsvektor; k: diskrete Zeitvariable; Q:

  • Gewichtungsmatrix des Ausgangs; Nu: Steuerungshorizont; Δu: Vektor der Systemschrittweite; R1: Gewichtungsmatrix der Steuerungsschrittweite; u:
    • Systemeingangsvektor; R2: Gewichtungsmatrix der Steuergrößen
where: V: cost function; i: iteration variable; N p : forecast horizon; y pred : predict system output vector; k: discrete time variable; Q:
  • output weight matrix; N u : control horizon; Δu: vector of the system step size; R 1 : control step size weight matrix; u:
    • system input vector; R 2 : weighting matrix of the control variables

6 zeigt rein schematisch die Ausgestaltung der Recheneinheit 8 für den modellprädikativen Regler 10. Schematisch dargestellt ist die online Optimierung mit Optimierer 12 und entsprechendem Modell 13. Innerhalb des Reglers 10 wird im Modell 13 y'pred ermittelt und im Optimierer 12 optimiert, wodurch sich u' ergibt. u' wiederum wird im Modell weiter überprüft und der sich daraus ergebende Wert y'pred wiederum optimiert. Die ausreichend optimierte Stellgröße u kann über die Steuereinheit 11 zur Ansteuerung der ansteuerbaren Lager 6 verwendet werden. 6 shows purely schematically the configuration of the arithmetic unit 8 for the model-predictive controller 10. The online optimization with the optimizer 12 and the corresponding model 13 is shown schematically. results. u' in turn is checked further in the model and the resulting value y' pred is again optimized. The sufficiently optimized manipulated variable u can be used via the control unit 11 to control the controllable bearing 6 .

Die Simulationen haben ergeben, dass die Wirkungsweise bezüglich Kräften und Beschleunigungen beim modellprädikativen Regler sehr ähnlich zu den Werten des LQ-Reglers sind, wie dies bereits anhand der 2 bis 4 erläutert wurde. Allerdings ergibt sich insbesondere hinsichtlich der Reduzierung der Bewegung des Aufbaus 3 aufgrund der online Optimierung eine weitere Verbesserung. Darüber hinaus kann die Kostenfunktion beim modellprädikativen Regler so angepasst werden, dass mit Hilfe wahrnehmungsbasierter Filter, wie beispielsweise in ISO 2631-1 beschrieben, eine weitere Verbesserung erzielt werden kann. Eine darüberhinausgehende Vorgehensweise bezieht vorzugsweise in den modellprädikativen Regler die Berechnung einer objektiven wahrnehmungsbasierten Größe, insbesondere des vorab beschriebenen Overall Vibration Total Values, während der online Optimierung mit ein und optimiert diese damit direkt. Dadurch ergibt sich eine weitere Verbesserung des Schwingungskomforts.The simulations have shown that the mode of action with regard to forces and accelerations in the model predictive controller are very similar to the values of the LQ controller, as has already been shown using the 2 until 4 was explained. However, a further improvement results, in particular with regard to the reduction in the movement of the structure 3, due to the online optimization. In addition, the cost function in the model predictive controller can be adjusted in such a way that a further improvement can be achieved with the help of perception-based filters, such as those described in ISO 2631-1. A procedure that goes beyond this preferably includes the calculation of an objective, perception-based variable, in particular the overall vibration total value described above, in the model predictive controller during the online optimization and thus optimizes it directly. This results in a further improvement in vibration comfort.

BezugszeichenlisteReference List

11
Fahrzeugvehicle
22
Fahrwerklanding gear
33
AufbauConstruction
44
Antriebseinheit (Masse)drive unit (mass)
55
Federdämpfersystemspring damper system
66
ansteuerbares Lagercontrollable warehouse
77
Sensorsensor
88th
Recheneinheitunit of account
99
Erfassungseinheitregistration unit
1010
Reglercontroller
1111
Steuereinheitcontrol unit
1212
Optimiereroptimizer
1313
ModellModel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 1249637 B1 [0002]EP 1249637 B1 [0002]

Claims (10)

Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines ansteuerbaren Lagers (6) eines Fahrzeugs (1), • wobei das Fahrzeug (1) ein Fahrwerk (2), einen gegenüber dem Fahrwerk (2) elastisch gelagerten Aufbau (3) und eine Masse (4) aufweist, wobei die Masse (4) über zumindest ein ansteuerbares Lager (6) gegenüber dem Aufbau (3) elastisch gelagert ist, umfassend die folgenden Schritte • Erfassen zumindest einer Regelgröße, die eine Bewegung des Aufbaus (3), des Fahrwerks (2) oder einer im Aufbau (3) befindlichen Person wiedergibt, • Ermitteln einer Stellgröße basierend auf der Regelgröße zur Tilgung der über die Regelgröße erfassten Bewegung, • und Ansteuern des zumindest einen ansteuerbaren Lagers (6) basierend auf der Stellgröße.Method for controlling or regulating a controllable bearing (6) of a vehicle (1), • wherein the vehicle (1) has a chassis (2), a body (3) elastically mounted relative to the chassis (2) and a mass (4), the mass (4) having at least one controllable bearing (6) relative to the Structure (3) is elastically mounted, comprising the following steps • detecting at least one controlled variable that reflects a movement of the body (3), the chassis (2) or a person in the body (3), • Determining a manipulated variable based on the controlled variable to compensate for the movement recorded via the controlled variable, • and controlling the at least one controllable bearing (6) based on the manipulated variable. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Masse (4) eine Antriebseinheit ist, insbesondere mit Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor und/oder Getriebe und/oder Brennstoffzellenaggregat.procedure after claim 1 , wherein the mass (4) is a drive unit, in particular with an internal combustion engine and/or an electric motor and/or a transmission and/or a fuel cell unit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ansteuerbare Lager (6) angesteuert wird, um stufenlos oder in mehr als zwei Stufen seine Federsteifigkeit und/oder seinen Dämpfungsgrad zu variieren und/oder eine Kraft zu stellen.Method according to one of the preceding claims, in which the controllable bearing (6) is controlled in order to vary its spring stiffness and/or its degree of damping continuously or in more than two stages and/or to set a force. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ansteuerbare Lager (6) angesteuert wird, sodass eine Bewegungsrichtung der Masse der über die Regelgröße wiedergegeben Bewegung entgegengesetzt ist.Method according to one of the preceding claims, in which the controllable bearing (6) is controlled such that a direction of movement of the mass is opposite to the movement reproduced via the controlled variable. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei steigender Amplitude der Regelgröße die Federsteifigkeit und/oder der Dämpfungsgrad des zumindest einen ansteuerbaren Lagers (6) reduziert und/oder vergrößert wird/werden.Method according to one of the preceding claims, in which the spring stiffness and/or the degree of damping of the at least one controllable bearing (6) is/are reduced and/or increased as the amplitude of the controlled variable increases. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Regelgröße eine Verschiebung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, a displacement and/or speed and/or acceleration being detected as the controlled variable. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stellgröße zur Tilgung der über die Regelgröße erfassten Bewegung zumindest in einem Frequenzbereich von 5Hz bis 50 Hz ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, the manipulated variable for canceling the movement detected via the controlled variable being determined at least in a frequency range of 5 Hz to 50 Hz. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Zusatzgröße eine Bewegung, insbesondere Beschleunigung, der Masse (4) erfasst wird und die Regelgröße zusätzlich basierend auf der Zusatzgröße ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a movement, in particular acceleration, of the mass (4) is detected as an additional variable and the controlled variable is also determined on the basis of the additional variable. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stellgröße mittels eines LQ-Reglers oder eines Modellprädikativen Reglers ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the manipulated variable is determined by means of an LQ controller or a model predictive controller. Fahrzeug (1), insbesondere ausgebildet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehende Ansprüche, • umfassend ein Fahrwerk (2), einen gegenüber dem Fahrwerk (2) elastisch gelagerten Aufbau (3), eine Masse (4), insbesondere Antriebsaggregat, wobei die Masse (4) über zumindest ein ansteuerbares Lager (6) gegenüber dem Aufbau (3) elastisch gelagert ist, • eine Erfassungseinheit (9) zum Erfassen zumindest einer Regelgröße, die eine Bewegung des Aufbaus (3), des Fahrwerks (2) oder einer im Aufbau (3) befindlichen Person wiedergibt, • einen Regler (10) zum Ermitteln einer Stellgröße basierend auf der Regelgröße zur Tilgung der über die Regelgröße erfassten Bewegung, • und eine Steuereinheit (11) zum Ansteuern des zumindest einen ansteuerbaren Lagers (6) basierend auf der Stellgröße.Vehicle (1), in particular designed to carry out the method according to one of the preceding claims, • comprising a chassis (2), a structure (3) elastically mounted relative to the chassis (2), a mass (4), in particular a drive unit, the mass (4) being mounted relative to the structure (3 ) is elastically mounted, • a detection unit (9) for detecting at least one controlled variable that reflects a movement of the body (3), the chassis (2) or a person in the body (3), • a controller (10) for determining a manipulated variable based on the controlled variable to compensate for the movement detected via the controlled variable, • and a control unit (11) for controlling the at least one controllable bearing (6) based on the manipulated variable.
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Norm ISO 2631-1 1997-07-15. Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 1: General requirements
Norm ISO 2631-1 Amendment 1 2010-07-01. Mechanical vibration and shock - Evaluation of human exposure to whole-body vibration - Part 1: General requirements

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