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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2019 001 377 A1 ist ein Spoiler eines Kraftfahrzeugs mit einem einstellbaren Luftleitelement bekannt, das ein Skelett aus mehreren relativ zueinander beweglich angeordneten Körpern aufweist, die mittels wenigstens einem Aktuator in ihrer relativen Lage zueinander verstellbar sind, wobei der Aktuator ein hydraulischer, pneumatischer oder elektrischer Aktuator ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2019 110 123 A1 ist eine Betätigungsvorrichtung zur Betätigung von Luftleitelementen eines Fahrzeugs bekannt, mit mindestens zwei Aktuatoreinrichtungen zur Übertragung einer Stellbewegung auf mindestens eines der Luftleitelemente, wobei die beiden Aktuatoreinrichtungen jeweils mindestens einen Kolben und jeweils mindestens ein Zylindergehäuse aufweisen, wobei die Kolben jeweils in dem zugehörigen Zylindergehäuse verschiebbar angeordnet sind, wobei zur Erfassung einer Kolbenstellung der Kolben eine Sensoranordnung vorgesehen ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2019 114 946 A1 ist eine hydromechanische Geberzylindervorrichtung zum aktiven Verstellen eines Aerodynamik-Elements bekannt. Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2012 106 452 A1 offenbart eine Luftleitvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Luftleitelement, das unterhalb eines Spoilerelements verschwenkbar angeordnet ist und über eine Verstelleinrichtung einen an die Ein- und Ausfahrbewegungen des Spoilerelements gekoppelten Bewegungsablauf von einer Grundstellung in eine Abrissstellung und umgekehrt aufweist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2018 119 670 A1 ist eine aktive Spoileranordnung zum Modifizieren der aerodynamischen Leistung eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei eine Fahrzeugsteuerung programmiert ist, um Positionen von ersten und zweiten Rippen in Bezug auf einen Hauptkörper während eines Kurvenmanövers des Fahrzeugs als Reaktion auf Änderungen der von einem Fahrdynamiksensor erfassten Querbeschleunigung individuell zu verändern, um dadurch die aerodynamische Abtriebskraft auf die Fahrzeugkarosserie während des Kurvenmanövers wiederholt zu verändern. Aus den im Prüfungsverfahren entgegengehaltenen Druckschriften
DE 103 48 285 A1 ,
US 2021 / 0 061 087 A1 ,
US 2007 / 0 257 512 A1 sind Verfahren zum stufenlosen Verstellen eines hydraulisch verstellbaren Funktionskörpers an einem Kraftfahrzeug bekannt, das mit einer variablen Fahrzeuggeschwindigkeit bewegt wird, wobei der Funktionskörper in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit unterschiedliche Positionen einnimmt, in denen mindestens eine Umgebungskraft auf den Funktionskörper wirkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem hydraulisch stufenlos verstellbaren Funktionskörper, der in Abhängigkeit von einer variablen Fahrzeuggeschwindigkeit unterschiedliche Positionen einnimmt, in denen mindestens eine variable Umgebungskraft auf den Funktionskörper wirkt, zu verbessern.
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Die Aufgabe ist durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 2 gelöst. Bei dem Funktionskörper handelt es sich zum Beispiel um ein Luftleitelement, das verstellbar an dem Kraftfahrzeug angebracht ist. Das Luftleitelement ist zum Beispiel als Spoiler, insbesondere als Heckspoiler oder als Heckflügel, an dem Kraftfahrzeug ausgeführt. Zur hydraulischen Verstellung des Funktionskörpers dient zum Beispiel ein Hydrauliksystem mit einem Hydraulikzylinder, in welchem ein Hydraulikkolben mit einer Kolbenstange hydraulisch mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagbar ist. Über die Kolbenstange kann der Hydraulikkolben mechanisch mit dem Luftleitelement gekoppelt sein. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich zum Beispiel um einen Sportwagen, der mit unter Umständen hohen Geschwindigkeiten bewegbar ist. Dabei nimmt der Funktionskörper in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit unterschiedliche Positionen ein, um den Betrieb des Kraftfahrzeugs zu verbessern. Bei der Umgebungskraft handelt es sich zum Beispiel um eine Windkraft, die sich zum einen mit der Fahrzeuggeschwindigkeit ändert. Darüber hinaus kann die Umgebungskraft, insbesondere die Windkraft, auch zum Beispiel wetterbedingt aus unterschiedlichen Richtungen und unterschiedlich stark auf den Funktionskörper einwirken. Die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Ist-Position des Funktionskörpers werden sensorisch erfasst. Hier können herkömmliche Sensoreinrichtungen verwendet werden. Die Position des Funktionskörpers kann je nach Ausführung der Sensoreinrichtung direkt erfasst werden. Gegebenenfalls ist es aber auch möglich, dass die Ist-Position des Funktionskörpers über den vorab beschriebenen Hydraulikkolben erfasst werden, wenn dieser mechanisch mit dem Funktionskörper gekoppelt ist und sich der Funktionskörper durch die Umgebungskraft im Betrieb des Kraftfahrzeugs nicht oder nicht unerwünscht verformt. Aus dem Vergleich der Ist-Position mit der Soll-Position des Funktionskörpers ergibt sich die Positionsabweichung, die für eine Lageregelung oder Positionsregelung mit Hilfe des Reglers mit dem proportionalen Regelverhalten, der auch als P-Regler bezeichnet wird, verwendet wird, um Umwelteinflüsse, insbesondere unterschiedliche Windkräfte, an dem zum Beispiel als Flügel ausgeführten Funktionskörper zu kompensieren. Der proportionale Anteil der Positionsabweichung wird vorteilhaft mit dem P-Regler abhängig von der Umgebungskraft an dem Funktionskörper gesteuert. Die Verstellgeschwindigkeit wird vorteilhaft durch Ableitung der erfassten Ist-Position ermittelt. Durch die Kombination des I-Reglers mit dem P-Regler in der kombinierten Regeleinrichtung wird ein spezieller PI-Regler geschaffen, der geeignet ist, den Betrieb des Funktionskörpers an dem Kraftfahrzeug, insbesondere den Betrieb eines Luftleitelements, wie eines Spoilers, an dem Kraftfahrzeug effektiv zu regeln. Bei der elektrohydraulischen Verdrängereinheit handelt es sich zum Beispiel um eine Hydraulikpumpe, die durch einen Elektromotor angetrieben ist. Dann handelt es sich bei der Antriebsdrehzahl zum Beispiel um eine Motordrehzahl des Elektromotors, mit welchem die Hydraulikpumpe angetrieben wird. Diese Motordrehzahl kann mit einem herkömmlichen Drehzahlsensor erfasst werden. Die Verstellung des Funktionskörpers erfolgt vorteilhaft über die Hydraulikpumpe, die zu diesem Zweck hydraulisch mit mindestens einem Hydraulikzylinder verbunden ist. Die Verstellung über die Hydraulikpumpe erfolgt vorteilhaft bis eine gewünschte Soll-Position des Funktionskörpers erreicht wird. Das wiederum erfolgt zum Beispiel durch eine Ansteuerung des mindestens einen Elektromotors. Durch das beanspruchte Verfahren kann die Verstellung des Funktionskörpers, insbesondere eines Spoilers oder eines Spoilersystems, auch bei unterschiedlichen Umwelteinflüssen oder Außeneinflüssen auf den Funktionskörper und das Hydrauliksystem reproduzierbar geregelt werden. Dabei kann insbesondere auch ein unterschiedliches Stellverhalten der Hydraulik bei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten, Außentemperaturen und Bauteileinflüssen berücksichtigt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass durch den Regler mit dem proportionalen Regelverhalten eine auf Positionsabweichungen des Funktionskörpers basierende Positionsregelung durchgeführt wird. Durch die Kombination des P-Reglers mit dem Regler mit dem integralen Regelverhalten, der auch als I-Regler bezeichnet wird, in der kombinierten Regeleinrichtung können vorteilhaft weitere Einflüsse, wie mechanische Einflüsse und Umwelteinflüsse, im Betrieb des Kraftfahrzeugs schnell und effektiv ausgeglichen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungskraft aus der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Ist-Position des Funktionskörpers ermittelt und zusammen mit den Positionsabweichungen des Funktionskörpers in dem Regler mit der proportionalen Regelverhalten zur Positionsregelung verwendet wird. Zur Ermittlung der Umgebungskraft wird Hilfe des P-Reglers wird zum Beispiel eine zweidimensionale Windkraft-Kennlinie verwendet, die in dem P-Regler hinterlegt ist. So kann die Umgebungskraft mit relativ einfachen Mitteln abgeschätzt werden.
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Die oben angegebene Aufgabe ist auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Die kombinierte Regeleinrichtung ist vorteilhaft so ausgeführt, dass sie geeignet ist, um das vorab beschriebene Verfahren im Betrieb eines mit der Vorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs auszuführen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Regler mit dem proportionalen Regelverhalten eine Umgebungskraftkennlinie zur Ermittlung der Umgebungskraft aus der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Ist-Position des Funktionskörpers umfasst. Bei der Umgebungskraftkennlinie handelt es sich zum Beispiel um eine zweidimensionale Windkraft-Kennlinie. So kann die Umgebungskraft relativ einfach im Betrieb des Kraftfahrzeugs abgeschätzt werden. Je nach Ausführung der kombinierten Regeleinrichtung können auch weitere Umwelteinflüsse, wie eine sich verändernde Umgebungstemperatur, mit Hilfe geeigneter Umgebungskraftkennlinien mit dem P-Regler berücksichtigt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein proportionaler Anteil in dem Regler mit dem proportionalen Regelverhalten in Abhängigkeit von der ermittelten Umgebungskraft und der Positionsabweichung gesteuert wird, um Umgebungseinflüsse zu kompensieren. So können zum Beispiel unterschiedliche Windkräfte beziehungsweise Windkräfte aus unterschiedlichen Richtungen und unterschiedlich starke Windkräfte an dem Funktionskörper durch eine geeignete Verstellung des Funktionskörpers schnell und effektiv kompensiert werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Regler mit dem integralen Regelverhalten zwei unterschiedliche integrale Teilregler und einen Integrator umfasst. Die beiden Teilregler sind vorzugsweise parallel angeordnet und an einer Additionsstelle, insbesondere einem Summenpunkt, in dem I-Regler zusammengeführt. Der Integrator ist vorteilhaft zwischen dieser Additionsstelle und einer weiteren Additionsstelle angeordnet, die dem P-Regler nachgeschaltet ist. Mit der beanspruchten Vorrichtung wird ein spezieller PI-Regler geschaffen, der eine stufenlose Positionierung von hydraulischen Systemen unabhängig von Umwelteinflüssen ermöglicht. Die beanspruchte Vorrichtung ist sehr einfach ausgeführt und benötigt insbesondere keine komplexe Ventilsteuerung über zusätzliche Steuerleitungen. Mit der kombinierten Regeleinrichtung wird eine einfache Regelung ohne komplexen Steuerungsaufwand ermöglicht.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einer vorab beschriebenen Vorrichtung. Die vorab beschriebene Vorrichtung ist zum Beispiel in eine Steuerung des Kraftfahrzeugs integriert. Die Steuerung umfasst zum Beispiel ein Steuergerät, das mit einem computerlesbaren Speichermedium ausgestattet ist, das wiederum Befehle enthält, die, wenn sie von einer Vorverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, veranlassen, dass die Vorverarbeitungsvorrichtung ein vorab beschriebenes Verfahren durchführt. Das computerlesbare Speichermedium ist separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Steuerung zum stufenlosen Verstellen eines hydraulisch verstellbaren Funktionskörpers;
- 2 eine schematische Darstellung einer Architektur einer kombinierten Regeleinrichtung, die in die Steuerung aus 1 integriert ist; und
- 3 ein Reglermodell der kombinierten Regeleinrichtung aus 2.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 mit einer Steuerung 2 und einem Hydrauliksystem 3 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist an einem nur durch ein Rechteck angedeuteten Kraftfahrzeug 4 angebracht.
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Das Hydrauliksystem 3 umfasst einen Hydraulikzylinder 5, in dem ein Kolben 6 zur Betätigung eines Funktionskörpers 8 hydraulisch beaufschlagt ist. Der Kolben 6 ist über eine Kolbenstange 7 mechanisch mit dem Funktionskörper 8 gekoppelt.
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Bei dem Funktionskörper 8 handelt es sich um ein Luftleitelement 9, das auch als Spoiler oder Flügel bezeichnet wird beziehungsweise ausgeführt sein kann. Durch einen Pfeil 10 ist in 1 angedeutet, wie eine Position des Funktionskörpers 8 an dem Kraftfahrzeug 4 über eine geeignete Ansteuerung des Hydrauliksystems 3 verändert werden kann.
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Eine aktuelle Position des Funktionskörpers 8, die auch als Ist-Position bezeichnet wird, wird mit einem Positionssensor 11 erfasst. Die mit dem Positionssensor 11 erfasste Ist-Position 17 wird zum Beispiel über eine geeignete Steuerleitung an die Steuerung 2 weitergeleitet.
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Durch gestrichelte Pfeile ist in 1 ebenfalls angedeutet, dass der Steuerung 2 eine Fahrzeuggeschwindigkeit 15 und eine Soll-Position 16 des Funktionskörpers 8 zugeführt werden. Die Fahrzeuggeschwindigkeit 15 wird in bekannter Art und Weise im Betrieb des Kraftfahrzeugs 4 erfasst. Die Soll-Position 16 des Funktionskörpers 8 ist zum Beispiel tabellarisch oder in Form einer Kennlinie in der Steuerung 2 hinterlegt.
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Das Hydrauliksystem 3 umfasst eine elektrohydraulische Verdrängereinheit 12, die hydraulisch mit dem Hydraulikzylinder 5 verbunden ist. Die elektrohydraulische Verdrängereinheit 12 umfasst eine Pumpe 14, die zum Beispiel durch einen Elektromotor angetrieben ist.
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Mit einem Drehzahlsensor 13 wird zum Beispiel die Motordrehzahl oder Antriebsdrehzahl des Elektromotors der elektrohydraulischen Verdrängereinheit 12 erfasst. Die erfasste Drehzahl wird der Steuerung 2 zugeführt, über die wiederum die elektrohydraulische Verdrängereinheit 12 angesteuert wird.
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In 2 ist eine kombinierte Regeleinrichtung 20 veranschaulicht, welche in die in 1 mit 2 bezeichnete Steuerung integriert ist. Die kombinierte Regeleinrichtung 20 umfasst einen Regler 21 mit einem proportionalen Regelverhalten und einen Regler 22 mit einem integralen Regelverhalten. Daher wird die Regeleinrichtung 20 auch als kombinierte Regeleinrichtung bezeichnet.
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Der Regler 21 mit dem proportionalen Regelverhalten wird auch als P-Regler bezeichnet. Der Regler mit dem integralen Regelverhalten 22 wird auch als I-Regler bezeichnet. Deshalb kann die kombinierte Regeleinrichtung 20 auch als PI-Regler bezeichnet werden.
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Dem P-Regler 21 werden als Eingangsgrößen die Fahrzeuggeschwindigkeit 15 sowie die Soll-Position 16 und die Ist-Position 17 des Funktionskörpers zugeführt. Der I-Regler 22 umfasst einen Teilregler 23, dem als Eingangsgröße die Ist-Position 17 des Funktionskörpers zugeführt wird. Darüber hinaus umfasst der I-Regler 22 einen Teilregler 24, dem eine Antriebsdrehzahl 28 der in 1 mit 12 bezeichneten elektrohydraulischen Verdrängereinheit zugeführt wird.
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Die Antriebsdrehzahl 28 kann auch als Ist-Motordrehzahl bezeichnet werden. Der P-Regler 21 ist über eine als Additionsstelle ausgeführte Verknüpfung 25 steuerungsmäßig mit dem I-Regler 22 verbunden. Durch einen Pfeil 29 ist in 2 angedeutet, dass die kombinierte Regeleinrichtung 20 in der Steuerung 2, die in 1 dargestellt ist, dazu dient, die in 1 mit 12 bezeichnete elektrohydraulische Verdrängereinheit 12 anzusteuern.
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Der P-Regler 21 dient zur Darstellung einer Lageregelung des Funktionskörpers. Um Umwelteinflüsse, wie unterschiedliche Windkräfte an dem Funktionskörper, zu kompensieren, wird ein P-Anteil abhängig von einer Soll-Positionsabweichung und von den Umwelteinflüssen, wie den unterschiedlichen Windkräften, am Funktionskörper, gesteuert. Die Windkraft an dem Funktionskörper wird zum Beispiel über eine Windkraft-Kennlinie basierend auf der Ist-Position des Funktionskörpers und der Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt.
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In 3 ist ein Reglermodell der kombinierten Regeleinrichtung 20 mit zwei Übertragungsblöcken 31 und 32 dargestellt, die Teilregler des P-Reglers veranschaulichen. Zwei weitere Übertragungsblöcke veranschaulichen die Teilregler 23 und 24 des I-Reglers. Durch einen Pfeil, der die beiden Übertragungsblöcke oder Teilregler 31, 32 miteinander verbindet, ist die Umgebungskraft 30 angedeutet.
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Dem Teilregler 31 werden als Eingangsgrößen die Fahrzeuggeschwindigkeit 15 und die Ist-Position 17 des Funktionskörpers zugeführt. Eine durch einen Pfeil 33 angedeutete Positionsabweichung wird an einer nicht näher bezeichneten Additionsstelle aus der Soll-Position 16 und der Ist-Position 17 des Funktionskörpers ermittelt. Die Positionsabweichung 33 und die Umgebungskraft 30 stellen die Eingangsgrößen des Teilreglers 32 dar.
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Durch einen Pfeil 39, der von dem Teilregler 32 ausgeht, ist die proportionale Ansteuerung angedeutet. Durch eine Ableitung 34 der Ist-Position 17 des Funktionskörpers wird eine Verstellgeschwindigkeit 36 ermittelt, mit welcher der Funktionskörpers verstellt wird. Die Verstellgeschwindigkeit 36 stellt die Eingangsgröße des Teilreglers 23 dar. Die Antriebsdrehzahl 28 stellt die Eingangsgröße des Teilreglers 24 dar.
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Die Ausgänge der Teilregler 23 und 24 werden in einer Additionsstelle zusammengeführt, der ein Integrator 35 nachgeschaltet ist. Durch einen weiteren Pfeil 38 ist die integrale Ansteuerung veranschaulicht. Die integrale Ansteuerung 38 wird in einer weiteren Additionsstelle mit der proportionalen Ansteuerung 39 zusammengeführt. Das Ergebnis der Motorsteuerung 29 wird zum Beispiel mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation 40 genutzt, um die in 1 mit 12 bezeichnete elektrohydraulische Verdrängereinheit anzusteuern.
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Der I-Regler mit den beiden Teilreglern 23, 24 dient zum einen dazu, eine minimale Verstellgeschwindigkeit an dem Funktionskörper sicherzustellen. Darüber hinaus dient der I-Regler dazu, eine minimale Drehzahl an der in 1 mit 12 bezeichneten elektrohydraulischen Verdrängereinheit sicherzustellen.
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Für die minimale Verstellgeschwindigkeit des Funktionskörpers wird der erste integrale Anteil 23 des Integrators 35 abhängig von der berechneten Verstellgeschwindigkeit des Funktionskörpers und durch eine erste zusätzliche Kennlinie in dem Teilregler 23 gesteuert. Für die minimale Drehzahl oder Motordrehzahl wird der zweite integrale Anteil 24 des Integrators 35 abhängig von der gemessenen Antriebsdrehzahl 28 und durch eine zweite zusätzliche Kennlinie, die in dem Teilregler 24 hinterlegt ist, gesteuert.
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Bezugszeichen
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Steuerung
- 3
- Hydrauliksystem
- 4
- Kraftfahrzeug
- 5
- Hydraulikzylinder
- 6
- Kolben
- 7
- Kolbenstange
- 8
- Funktionskörper
- 9
- Luftleitelement
- 10
- Pfeil
- 11
- Positionssensor
- 12
- elektrohydraulische Verdrängereinheit
- 13
- Drehzahlsensor
- 14
- Pumpe
- 15
- Fahrzeuggeschwindigkeit
- 16
- Soll-Position
- 17
- Ist-Position
- 20
- Regeleinrichtung
- 21
- Regler mit einem proportionalen Regelverhalten
- 22
- Regler mit einem integralen Regelverhalten
- 23
- Teilregler
- 24
- Teilregler
- 25
- Verknüpfung
- 28
- Antriebsdrehzahl
- 29
- Motorsteuerung
- 30
- Umgebungskraft
- 31
- Teilregler
- 32
- Teilregler
- 33
- Positionsabweichungen
- 34
- Ableitung
- 35
- Integrator
- 36
- Verstellgeschwindigkeit
- 38
- integrale Ansteuerung
- 39
- proportionale Ansteuerung
- 40
- Pulsweitenmodulation
