DE10255413A1

DE10255413A1 - Verfahren und Steuerungseinrichtung zur bedarfsgerechten Betätigung eines Wankausgleichaktuators in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10255413A1
Application number: DE2002155413
Authority: DE
Inventors: Frank-Detlef Dr. Speck; Robert Dipl.-Ing. Zdych
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung zur Betätigung eines Wankausgleichaktuators 23 in einem hydropneumatischen Federungssystem, bei dem zwischen einer Fahrzeugradachse und der Fahrzeugkarosserie 43 zwei Federzylinder 1, 2 angeordnet sind, die über jeweils zwei Druckräume 46, 48; 47, 49 zur Aufnahme eines flüssigen Druckmittels 28, 29 verfügen, wobei bei beiden Federzylindern 1, 2 der erste Druckraum 46, 47 über jeweils eine Druckmittelleitung mit einem dem jeweiligen Federzylinder 1, 2 zugeordneten hydropneumatischen Druckraum 46, 47 verbunden ist und der jeweils zweite Druckraum 48, 49 über jeweils eine weitere Druckleitung 15, 16 in einer hydraulischen Überkreuzverbindung mit dem Druckspeicher 26, 27 des jeweils anderen Federzylinders in Verbindung steht, und bei dem mithilfe eines von einem Steuergerät 32 gesteuerten Aktuators 23 ein Druckmittelvolumen zwischen den Druckräumen 48, 49 der beiden Federzylinder 1, 2 sowie den Druckspeichern 26, 27 derart hin- und herverschiebbar ist, dass eine Wankbewegung des Fahrzeuges ausgleichbar ist. Die Ermittlung des Istwertes durch den Aktuator 23 bei einem Wankausgleich verschobenen Druckmittelvolumens und dessen Steuerung und Regelung erfolgt dabei in Abhängigkeit von dem aktuellen Gasdruck P¶SL¶ bzw. P¶SR¶ in wenigstens einem der beiden hydropneumatischen Druckspeicher 26, 27 sowie von den relativen Zylinder- oder Kolbenwegen DELTAY¶AR¶ und DELTAY¶AL¶.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung zur bedarfsgerechten Betätigung eines Wankausgleichaktuators in einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie denen des Patenanspruchs 5.

Im Stand der Technik sind bereits eine Reihe von Fahrwerksystemen mit einer hydropneumatischen Federung bekannt, bei denen mittels eines Aktuartors, wie beispielsweise eine Pumpe, eine Hydraulikflüssigkeit von den hydropneumatischen Federbeinen einer Fahrzeuglängsseite zu den hydropneumatischen Federbeinen der anderen Fahrzeuglängsseite schnell verschiebbar ist, um so eine Wankbewegung des Fahrzeuges im Sinne einer Fahrzeugstabilisierung aktiv auszugleichen.

So zeigt die DE 198 53 873 A1 eine Vorrichtung zur hydropneumatischen Federung und Wankstabilisierung von Kraftfahrzeugen, bei der jedes Fahrzeugrad einer Fahrzeugachse über ein druckmittelbeaufschlagbares aktives Federungssystem mit einem Karosserieaufbau verbunden ist und jeweils einen Federzylinder aufweist, der über eine Druckmittelleitung und ein Dämpfungselement mit einem hydropneumatischen Speicher in Verbindung steht. Zudem sind die Federzylinder einer Fahrzeugachse untereinander über zwei Druckleitungen so miteinander über Kreuz verbunden, dass ein oberer Druckraum des einen Federzylinders mit einem unteren Druckraum des anderen Federzylinders gekoppelt ist. Schließlich gehört zu dieser bekannten Wankausgleicheinrichtung ein Aktuator, mit dem zur Erzeugung eines Wankaus gleichs zwischen der rechten und der linken Fahrzeugseite ein Druckmittelvolumen zwischen den über Kreuz angeordneten Leitungen vergleichsweise schnell verschiebbar ist.

Um nun bei dieser bekannten Wankausgleicheinrichtung einen angemessenen Wankausgleich zwischen den beiden Fahrzeugseiten durchführen zu können, benötigt eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Aktuatortätigkeit neben dem Wankwinkel des Fahrzeuges insbesondere eine Information über das Druckmittelvolumen, das durch den Aktuator während eines Wankausgleichvorgangs zwischen den beiden Federzylindern bzw. Druckspeichern der jeweiligen Fahrzeugachse verschoben wird.

Die bisher bekannten technischen Lösungen zur Ermittlung dieses Volumenstromes sind alle mit Nachteilen verbunden, die entweder damit zu tun haben, dass die jeweiligen Messwertgeber mechanisch in den zu messenden Volumenstrom störend eingreifen oder aus anderen Gründen nicht ausreichend genau arbeiten, für die Messung von dort ablaufenden hochdynamischen Druckmittelverschiebungen technisch ungeeignet oder einfach zu teuer sind.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe an die Erfindung darin, ein Verfahren zur Ermittlung des durch einen Aktuator verschobenen Druckmittelvolumens und zur Steuerung der Tätigkeit des Aktuators sowie eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung dieser Verfahren vorzustellen, die vergleichsweise kostengünstige und hinsichtlich der Druckmittelvolumenstrommessung ausreichend genaue Sensoren nutzt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich für das Verfahren aus den Merkmalen des Hauptanspruchs und für die Steuerungseinrichtung aus den Merkmalen des Patentanspruchs 5, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar sind.

Demnach wird ein Wankausgleichverfahren für ein solches hydropneumatisches Federungssystem eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, bei dem zwischen einer Fahrzeugradachse und der Fahrzeugkarosserie zwei Federzylinder angeordnet sind, die über jeweils zwei Druckräume zur Aufnahme eines flüssigen Druckmittels verfügen. Bei jedem dieser beiden Federzylindern ist der erste Druckraum über jeweils eine Druckmittelleitung mit einen dem jeweiligen Federzylinder zugeordneten hydropneumatischen Druckspeicher verbunden. Zudem steht der zweite Druckraum eines jeden Federzylinders über je eine weitere Druckleitung in einer lasttragenden hydraulischen Überkreuzverbindung mit dem Druckspeicher des jeweils anderen Federzylinders in Verbindung. Darüber hinaus gehört zu diesem Federungssystem ein Steuergerät, das zur Steuerung und Regelung eines Aktuators dient, durch dessen Fördertätigkeit ein Druckmittelvolumen zwischen den Druckräumen der beiden Federzylinder derart hin- und her verschiebbar ist, dass eine Wankbewegung des Fahrzeuges ausgleichbar ist. Bei einem solchen Federungssystem ist nun verfahrensmäßig vorgesehen, dass die Steuerung und Regelung der Fördertätigkeit des Aktuators in Abhängigkeit von dem aktuellen Gasdruck P_SL, P_SR in wenigstens einem der beiden hydropneumatischen Druckspeicher sowie von den relativen Zylinder- oder Kolbenwegen ΔY_AR und ΔY_AL der Federzylinder bei einer Wankbewegung erfolgt.

Durch dieses Messverfahren lässt sich das von dem Aktuator verschobene Druckmittelvolumen mit ausreichend großer Genauigkeit bei nur geringen Sensorkosten ermitteln und als Istwert für eine Steuerung und Regelung der Fördertätigkeit des Aktuators nutzen.

Hinsichtlich des Steuerungs- und Regelungsverfahrens sind folgende Verfahrensschritte erfindungsgemäß vorgesehen:

– Ermittlung eines Soll-Verschiebevolumenswertes in Abhängigkeit von einem gemessenen oder errechneten Wankwinkel und/oder einer gemessenene oder errechneten Aufbauquerbeschleunigung,
– Ermittlung der Richtung, in die das Druckmittelvolumen verschoben werden soll,
– Fördern eines Druckmittelvolumens durch den Aktuator von einem Zylinderinnenraum bzw. Druckspeicher in den anderen Zylinderinnenraum bzw. Druckspeicher,
– zeitkontinuierliche Berechnung des Istwertes des von dem Aktuator geförderten Druckmittelvolumens aus dem aktuellen Gasdruck P_SL, P_SR im hydropneumatischen Druckspeicher und den relativen Zylinder- oder Kolbenwegen ΔY_AR und ΔY_AL,
– Differenzbildung zwischen dem Soll-Verschiebevolumenwert und dem Ist-Verschiebevolumenwert zur Ermittlung eines Rest-Verschiebevolumenwertes,
– wenn der Wert des Rest-Verschiebevolumens > Null ist, weitere Betätigung des Aktuators mit dem vorbeschriebenen Regelungsablauf, bis der Wankausgleich vollzogen ist.

Die zeitkontinuierliche Ermittlung des durch den Aktuator verschobenen Druckmittelvolumens V_AR, V_AL erfolgt dabei für den rechten Federzylinder vorzugsweise nach der Gleichung

und für den linken Federzylinder gemäß der Gleichung

wobei V_AR und V_AL für das in den rechten oder in den linken Federzylinder bzw. Druckspeicher verschobene Druckmittelvolumen steht, A_Z die zylinderkopfseitige und A_R radseitige Zylinderkolbenfläche bedeuten und V_SRO sowie V_SLO die Abkürzungen für das Gasvolumen im linken bzw. rechten Druckspeicher zum Zeitpunkt t = 0 sind. Zudem stehen ΔY_AR und ΔY_AL wie schon oben erwähnt für die relative Wegänderung des Zylindergehäuses oder des Kolbens des rechten und linken Federzylinders, P_SLO und P_SRO für den Gasdruck im linken und rechten Druckspeicher zum Zeitpunkt t = 0, P_SL und P_SR für den aktuellen Gasdruck im linken und rechten Druckspeicher zum Zeitpunkt t, P_amb, für den Umgebungsluftdruck sowie n für den sogenannten Polytropenexponenten.

Dieser Polytropenexponent n hat für die hier in Betracht kommenden physikalisch-technischen Randbedingungen einen Wert von n > 1, da es sich hierbei um exotherme Vorgänge handelt. In praktischen Versuchen wurde dieser Wert vorzugsweise zu n = 1,44 bestimmt.

Da bei idealen Förderbedingungen das von dem Aktuator in einer Zeiteinheit angesaugte Druckmittelvolumen genauso groß sein muss wie das von diesem wegbeförderte Druckmittelvolumen, kann durch eine Differenzbildung das durch die beiden vorgenannten Gleichungen errechnete verschobene Volumen V_AR und V_AL bei einer Abweichung voneinander auf eine Leckage im Aktuator geschlossen werden. Durch diese Differenzbildung kann dabei nicht die Richtung der Leckage sondern auch das Volumen ermittelt werden, das durch die Leckage verloren geht. Dieser Leckagewert ist somit eine nützliche Korrekturgröße bei der Ermittlung des tatsächlich geförderten Druckmittelvolumens.

Hinsichtlich der Steuerungseinrichtung zur Durchführung der genannten Verfahren ist vorgesehen, dass ein Steuergerät über Sensorleitungen mit Gasdrucksensoren an den hydrodynamischen Druckspeichern, über Sensorleitungen mit Wegsensoren an den Federzylindergehäusen oder an den Kolben der Federzylinder sowie über eine Steuerleitung mit dem Aktuator, vorzugsweise mit einer Antriebseinrichtung an dem Aktuator, signaltechnisch verbunden ist.

Diese Antriebseinrichtung ist üblicherweise als Elektromotor ausgebildet, der eine Zahnradpumpe oder einen elektromotorisch verstellbarer Kolben in einer Kolben-Zylinder-Anordnung mit zwei Druckkammern antreibt. Die Antriebseinrichtung kann jedoch auch hydraulisch ausgeführt sein.

Zur Erfassung der Aufbauquerbeschleunigung, die hinsichtlich eines durchzuführenden Wankwinkelausgleichs als Störgröße auf den Aufbau wirkt, kann das Steuergerät über eine Sensorleitung mit einem entsprechenden Beschleuni gungssensor versehen sein. Alternativ dazu kann die Aufbauquerbeschleunigung auch indirekt aus der sensierten Fahrzeuglängsgeschwindigkeit und dem gemessenen Lenkwinkel modellbasiert berechnet werden.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung mit einem Wankwinkelsensor über eine Sensorleitung in Verbindung steht, wenngleich der aktuelle Wankwinkel auch rechnerisch aus den Stellungen der beiden Federzylinder und/oder ihrer Kolben ermittelbar ist.

Die Steuerungseinrichtung sowie das Verfahren zur Ermittlung des durch den Aktuator verschobenen Druckmittelvolumens und zur Steuerung der Tätigkeit des Aktuators lässt sich anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie mit Hilfe der beigefügten Zeichnung erläutern.
In dieser Zeichnung ist in einer schematischen Darstellungsweise eine Vorrichtung zur Federung und Wankstabilisierung eines Kraftfahrzeuges dargestellt, deren Aufbau zu einem großen Teil aus der bereits erwähnten DE 198 53 873 A1 bekannt ist. Diese Vorrichtung verfügt pro Fahrzeugachse zunächst über einen linksseitigen Federzylinder 1 und einen rechtsseitigen Federzylinder 2, in denen jeweils an Kolbenstangen 3, 4 befestigte Kolben 13, 14 axial verschiebbar angeordnet sind. Zudem sind die beiden Kolbenstangen 3, 4 mit ihrem nach unten weisenden Ende vorzugsweise gelenkig an einer hier nicht dargestellten Fahrzeugachse befestigt, während sich die Oberseite 9, 10 der Federzylinder 1, 2 jeweils an einem Karosseriebauteil 43 bevorzugt über je ein hier nicht dargestelltes Gelenk abstützt. Auf die Kolbenstangen 3, 4 wirken dabei die Kräfte F_AL und F_AR.
Die beiden Kolben 13, 14 verfügen vorzugsweise über unterschiedlich große Kolbenseiten, bei denen die fahrwerksseitigen Kolbenseiten 5, 7 Kolbenflächen A_R und die aufbauseitigen Kolbenseiten 6, 8 Kolbenfläche A_Z aufweisen. Zudem trennen die Kolben 13, 14 den Hohlraum des jeweiligen Zylinders 1, 2 in zwei Zylinderinnenräume, wobei die Kolbenfläche 5, 7 zu dem jeweils unteren Zylinderinnenraum 46, 47 und die Kolbenflächen 6, 8 zu dem jeweils oberen Zylinderinnenraum 48, 49 weisen.
Die Federzylinder 1, 2 sind zur Versorgung mit dem flüssigen Druckmittel über Druckleitungen mit zwei hydropneumatischen Druckspeichern 26, 27 verbunden, die beispielsweise als an sich bekannte Membranspeicher aufgebaut sein können. Bei diesen Druckspeichern 26, 27 trennt eine elastische Membran einen mit einer Druckflüssigkeit 28, 29 gefüllten ersten Druckspeicherinnenraum von einem mit einem Druckgas 30, 31 gefüllten zweiten Druckspeicherinnenraum.
In dem in dieser Figur gezeigtem Ausführungsbeispiel ist der linke Druckspeicher 26 über Druckleitungen 11, 19, 24 mit dem karosserieseitigen Zylinderinnenraum 48 des linken Federzylinders 1 und über die Druckleitungen 11, 15 mit dem fahrwerkseitigen Zylinderinnenraum 47 des rechten Federzylinders 2 verbunden. Der auf der rechten Fahrzeugseite angeordnete Druckspeicher 27 versorgt dagegen über die Druckleitungen 12, 20, 25 den karosserieseitigen Zylinderinnenraum 49 des rechten Federzylinders 2 und im Sinne einer hydraulischen Überkreuzschaltung über die Druckleitungen 12 und 16 den fahrwerkseitigen Zylinderinnenraum 46 des linken Federzylinders 1.
In den Druckleitungen 19, 20 ist zudem jeweils ein Dämpfungsventil 17, 18 mit Rückschlagventilfunktionen angeordnet. Darüber hinaus zweigen von den Druckleitungen 19, 20 Druckleitungen 21, 22 zu einem Aktuator 23 ab, mit dem Druckmittel wahlweise zu dem karosserieseitigen Zylinderinnenraum 48 bzw. dem Druckspeicher 26 des linken Federzylinders 1 oder zu dem karosserieseitigen Zylinderinnenraum 49 bzw. dem Druckspeicher 27 des rechten Federzylinders 2 leitbar oder zwischen den beiden genannten Zylinderinnenräumen 48, 49 bzw. den Druckspeichern 26, 27 verschiebbar ist.
Der Aktuator 23 besteht beispielsweise aus einem durch eine elektrische Antriebseinrichtung (Antriebsmotor 42) axial verstellbaren Kolben einer Kolben-Zylinder-Anordnung oder aus einer elektromotorisch antreibbaren Zahnradpumpe oder einem hydraulisch axial verstellbaren Kolben einer Kolben-Zylinder-Anordnung.
Eine Wankstabilisationseinrichtung nach diesem Aufbau ist an sich gut dazu geeignet, Wankbewegungen eines Fahrzeuges zu kompensieren. Dazu ermittelt ein Steuergerät 32 vorzugsweise während des Betriebes des Fahrzeuges ständig den aktuellen Wankwinkel und/oder die Aufbauquerbeschleunigung und leitet ein den Wankwinkel auf einen Wert Null ausgleichendes Steuerungssignal über eine Steuerungsleitung 41 an die Antriebseinrichtung 42 des Aktuators 23.
Zur Ermittlung der für einen Wankausgleich notwendigen Betriebs- und damit der Förderdauer der Antriebseinrichtung 42 ist es wichtig, das von dem Aktuator 23 geförderte Druckmittelvolumen genau zu kennen. Dies ist u.a. deshalb besonders wichtig und nicht einfach, weil die zum Wankaus gleich notwendige Fördermenge vergleichsweise klein und die Fördergeschwindigkeit hoch ist. Um dieses von dem Aktuator 23 verschobene Druckmittelvolumen nach dem in der folgenden Beschreibung genauer erläuterten Verfahren berechnen zu können, ermittelt das Steuergerät 32 über Sensorleitungen 37, 38 mit Wegsensoren 39, 40 im Bereich der beiden Federzylinder 1, 2 den relativen Abstand des Zylindergehäuses oder der Kolbenstangen 3, 4 beispielsweise zu einem fahrwerksfesten Punkt. Zudem ist das Steuergerät 32 über Sensorleitungen 33, 34 mit Drucksensoren 35, 36 an den Druckspeichern 26, 27 verbunden, die dem Steuergerät 32 Informationen über den aktuellen Gasdruck in den Druckspeichern 26, 27 liefern.
Schließlich kann das Steuergerät über eine Sensorleitung 45 mit einem Wanksensor, vorzugsweise einem Wankwinkelsensor und/oder über eine Sensorleitung 51 mit einem Beschleunigungssensor zur Erfassung der Aufbauquerbeschleunigung verbunden sein. Mittels eines entsprechenden Modells kann die Aufbauquerbeschleunigung in dem Steuergerät aber auch indirekt aus der sensierten Fahrzeuglängsbeschleunigung und dem gemessenen Lenkwinkel berechnet.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Ermittlung des Istwertes des von dem Aktuator 23 gerade verschobenen Druckmittelvolumens eine Steuerung und Regelung des Aktuators 23 hinsichtlich eines optimalen Wankausgleichs zwischen den beiden Federzylindern 1, 2 und damit zwischen den beiden Fahrzeugseiten möglich ist.
Mit Hilfe des in der Figur dargestellten physikalischtechnischen Modells einer hydropneumatischen Federung mit einem aktiven Wankausgleichmechanismus lässt sich zeigen, dass sich durch die Messung der relativen Zylinder- oder Kolbenwege ΔY_AR und ΔY_AL sowie der Messung der Gasspeicherdrücke P_SR bzw. P_SL das durch den Aktuator 23 verschobenen Druckmittelvolumen als Istwert zeitkontinuierlich indirekt, schnell und ohne gesonderte Strömungssensoren berechnen lässt. Dieser Verschiebevolumen-Istwert wird durch den Betrieb des Aktuators 23 solange verändert, bis ein in dem Steuergerät 32 in Abhängigkeit von dem aktuellen Wankwinkel und/oder der Aufbauquerbeschleunigung berechneter Verschiebevolumen-Sollwert erreicht ist, so dass dann die Atriebseinrichtung 42 des Aktuators zur Ruhe kommen kann.
Das verschobene Volumen muss jedoch aufgrund der hierdurch entstehenden Gasdruckänderung in den Druckspeichern solange durch den Aktuator gelassen werden, bis eine neue Wankwinkelsituation bzw. eine veränderte Aufbauquerbeschleunigung eine andere Volumenverschiebung erfordert.
Ausgangspunkt zur Ermittlung der dafür notwendigen Zustandsgleichung ist die Voraussetzung der Kontinuität der Volumenströme, d.h. ΣQ = 0. Mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung lassen sich folgende Gleichungen für die rechte Seite der beschriebenen hydraulischen Kreuzverschaltung aufstellen: QA – QZR – QDR = 0 (Gl. 1) QDR – QSR – QRL = 0 (Gl. 2)worin Q_A für den geförderten Druckmittelvolumenstrom steht, Q_ZR den Druckmittelvolumenstrom in die aufbauseitige Zylinderkammer des rechten Federzylinders angibt, Q_DR den Druckmittelvolumenstrom durch das rechte Dämpfungsventil kenn zeichnet, Q_SR den Druckmittelvolumenstrom in den rechten Druckspeicher angibt und Q_RL für den Druckmittelvolumenstrom in die radseitige linke Zylinderkammer steht.
Mit der Festlegung ΔY_AR > 0 und ΔY_AL > 0 bei jeweils nach unten ausgefahrenem Kolben kann man schreiben: QZR = AZ·ΔY'AR (Gl. 3) und QRL = –Ag·ΔY'AL S(Gl. 4)
Beim Aktuator 23 gilt zwischen dem Druckmittelvolumenstrom Q_A und dem durch den Aktuator verschobenen Druckmittelvolumen V_A folgender Zusammenhang: QA = V'A (Gl. 5)
Der Zusammenhang zwischen dem Druckmittelvolumenstrom Q_SR und dem verdrängten Volumen des gasförmigen Druckmittels 31 in dem rechten Druckspeicher 27 lautet: QSR = –V'SR (Gl. 6)wobei V'_SR die zeitliche Veränderung des aktuellen Gasvolumens im rechten Druckspeicher ist.
Durch Einsetzen der Gleichungen Gl. 1 bis Gl. 6 ineinander und nach Auflösung der Gleichung nach dem Gasvolumen V_SR im rechten Druckspeicher 27 ergibt sich für die rechte Seite der lasttragenden hydraulischen Kreuzverschaltung V'SR = –V'A + AZ·ΔY'AR – AR·Δ Y'AL (Gl. 7)
Durch unbestimmte Integration der vorgenannten Gleichung Gl. 7 und Ersetzen der Integrationskonstanten durch das Gasvolumen V_S _RO im rechten Druckspeicher 27 zum Zeitpunkt t = 0 ergibt sich das aktuelle Gasvolumen V_SR im rechten Druckspeicher 27 zu: VSR = AZ·ΔYAR – AR·ΔYAL – VA + VSRO (Gl. 8)
Der Zusammenhang zwischen dem aktuellen Gasvolumen V_SR und dem Gasdruck P_SR im rechten Druckspeicher 27 kann über die polytrope Gaszustandsgleichung herbeigeführt werden. Diese polytrope Zustandsgleichung lautet hierfür: USR n·(PSR + Pamb) = konst. ∀ t (Gl. 9 )mit n als Polytropenexponent, der für die hier in Betracht kommenden physikalisch-technischen Randbedingungen einen Wert von n > 1 hat, da es sich hierbei um exotherme Vorgänge handelt. In praktischen Versuchen wurde dieser Wert aufgrund des gewählten gasförmigen Druckmittels 30, 31 (Stickstoff) in den Gasspeichern 26, 27 vorzugsweise zu n = 1,44 bestimmt. Zur Vereinfachung der Schreibweise lässt sich zunächst eine Konstante K_SRO wie folgt definieren: KSRO: = KSRO n·(PSR0 + Pamb) = VSR n·(PSR + Pamb)|t = 0 (Gl. 10)
Da die polytrophe Zustandsgleichung Gl. 9 für alle Werte von t konstant ist, lässt sich auch schreiben USR n·(PSR + Pamb) = KSRO, ∀ t (Gl. 11)
Eine Auflösung dieser Gleichung Gl. 11 zu dem Gasvolumen V_SR in dem rechten Druckspeicher 27 ergibt:
Ein Einsetzen von Gleichung Gl. 12 in Gleichung Gl. 8 und ein anschließendes Auflösen zu dem durch den Aktuator 23 verschobenen Druckmittelvolumen V_A ergibt:
In der Gleichung Gl. 13 kann das Volumen V_SRO durch folgende Gleichung bestimmt werden:
worin P_SRFÜLL der werksseitige Gasfülldruck, V_SRFÜLL das werkseitige Gasfüllvolumen des rechten Gasspeichers und P_SRO der Gasdruck in dem rechten Druckspeicher zum Zeitpunkt t = 0 ist.
Eine Rücksubstitution in Gleichung Gl. 13 von K_SRO gemäß der Gleichung Gl. 10 ergibt schließlich den gesuchten Zusammenhang für das durch den Aktuator verschobene Druckmittelvolumen V_A als Funktion der relativen Zylinder- oder Kolbenwege Y_AR und Δ Y_AL sowie für den aktuellen Gasdruck Psx in dem rechten Druckspeicher 27:
In entsprechender Weise erhält man das durch den Aktuator verschobene Druckmittelvolumen V_A als Funktion der relativen Zylinder- oder Kolbenwege ΔY_AR und ΔY_AL bei einer Wankbewegung des Kraftfahrzeuges sowie von dem aktuellen Gasdruck P_SL in dem linken Druckspeicher 26 mit:
Auf diese Weise lässt sich das in die beiden Federzylinder 1, 2 bzw. Druckspeicher 26, 27 durch den Aktuartor 23 verschobene Druckmittelvolumen V_A als Istwert durch das Steuergerät 32 bestimmen. Durch einen Vergleich mit dem sich dem Wankwinkel und/oder der Aufbauquerbeschleunigung berechenbaren Sollfördervolumen kann das Steuergerät 32 die Förderwirkung des Aktuators daher solange aufrecht erhalten, bis der gewünschte Wankausgleich erreicht und im Idealfall das Fahrzeug wieder horizontal ausgerichtet ist.
Die Vorteile einer solchen Steuerung und Regelung der Auslenkung des Aktuators 23 zur Verstellung der Federzylinder 1, 2 bestehen vor allen darin, dass eine hohe Messgenauigkeit bei geringen Sensorkosten erreichbar ist. Zudem können bereits für andere Steuerungs- oder Regelungsverfahren vorhandene Druck- oder Wegsensoren an den Druckspeichern 26, 27 und/oder an den Federzylindern 1, 2 genutzt werden, um deren Ausgangssignale auch für die erfindungsge mäße Steuerung und Regelung des Aktuatorbetriebes zu verwenden. Zudem arbeitet dieses Messverfahren geräusch- und berührungslos sowie verschleißfrei, so dass keine dämpfende Wirkung auf die Druckmittelströmung bei den hochdynamischen Druckmittelverschiebungen entsteht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei einem Aktuator mit Leckage durch die rechts- und linksseitig redundante Erfassung des verschobenen Druckmittelvolumens auf beiden Seiten des Aktuators (in den Aktuator hinein und aus dem Aktuator hinaus) der richtungsabhängige Betrag des verschobenen Druckmittelvolumens bzw. die richtungsabhängige Aktuatorleckage während des normalen Aktuatorbetriebes dynamisch bestimmt werden kann.

1: Zylinder
2: Zylinder
3: Kolbenstange
4: Kolbenstange
5: Kolbenunterseite
6: Kolbenoberseite
7: Kolbenunterseite
8: Kolbenoberseite
9: Zylinderoberseite
10: Zylinderoberseite
11: Druckleitung
12: Druckleitung
13: Kolben
14: Kolben
15: Druckleitung
16: Druckleitung
17: Dämpfungselement
18: Dämpfungselement
19: Druckleitung
20: Druckleitung
21: Druckleitung
22: Druckleitung
23: Aktuator; Pumpe oder Verschiebekolben
24: Druckleitung
25: Druckleitung
26: Druckspeicher
27: Druckspeicher
28: Flüssiges Druckmittel
29: Flüssiges Druckmittel
30: Gasförmiges Druckmittel
31: Gasförmiges Druckmittel
32: Steuergerät
33: Sensorleitung
34: Sensorleitung
35: Gasdrucksensor (angeordnet im Druckspeicherteil
: mit flüssigem Druckmittel)
36: Gasdrucksensor (angeordnet im Druckspeicherteil
: mit flüssigem Druckmittel)
37: Sensorleitung
38: Sensorleitung
39: Wegsensor
40: Wegsensor
41: Steuerleitung
42: Antriebseinrichtung des Aktuators
43: Fahrzeugkarosserie
44: Wanksensor
45: Sensorleitung
46: Fahrwerkseitiger Zylinderinnenraum
47: Fahrwerkseitiger Zylinderinnenraum
48: Karosserieseitiger Zylinderinnenraum
49: Karosserieseitiger Zylinderinnenraum
50: Sensor(en) zur Erfassung der Aufbauquerbeschleunigung
51: Sensorleitung(en)
V_A: Durch den Aktuator verschobenes Druckmittelvolumen
V_AR: In den rechten Federzylinder bzw. Druckspeicher
: veschobenes Druckmittelvolumen
V_AL: In den linken Federzylinder bzw. Druckspeicher
: verschobenes Druckmittelvolumen
Q_A: Durch den Aktuator geförderter Druckmittelvolumenstrom
Q_ZR: Druckmittelvolumenstrom in die karosserieseitige
: Zylinderkammer, rechts
Q_RR: Druckmittelvolumenstrom in die radseitige
: Zylinderkammer, rechts
Y_AR: Relative Wegänderung, rechts
F_AR: Kraft auf den rechten Federzylinder
Q_DR: Druckmittelvolumenstrom durch das rechte
: Dämpfungsventil
Q_SR: Druckmittelvolumenstrom in den rechten Gasspeicher
U_SRO: Gasvolumen im rechten Druckspeicher im Zeitpunkt t = 0
P_SRO: Gasdruck im rechten Druckspeicher im Zeitpunkt t = 0
V_SR: Aktuelles Gasvolumen im rechten Gasspeicher
: zum Zeitpunkt t > 0
P_SR: Aktueller Gasdruck im rechten Gasspeicher
: zum Zeitpunkt t > 0
Q_ZL: Druckmittelvolumenstrom in die karosserieseitige
: Zylinderkammer, links
Q_RL: Druckmittelvolumenstrom in die radseitige
: Zylinderkammer, links
ΔY_AL: Relative Wegänderung, links
F_AL: Kraft auf den linken Federzylinder
Q_DL: Druckmittelvolumenstrom durch das linke
: Dämpfungsventil
Q_SL: Duckmittelvolumenstrom in den linken Gasspeicher
V_SLO: Gasvolumen im linken Druckspeicher im Zeitpunkt t=0
P_SLO: Gasdruck im linken Druckspeicher im Zeitpunkt t=0
V_SL: Aktuelles Gasvolumen im linken Gasspeicher im
: Zeitpunkt t > 0
P_SL: Aktueller Gasdruck im linken Gasspeicher im
: Zeitpunkt t > 0
A_Z: Aufbauseitige Kolbenfläche
A_R: Radseitige Kolbenfläche
P_amb: Umgebungsluftdruck
n: Polytropenexponent
K_SRO: Definierte Konstante
P_SRFÜLL: Werkseitiger Gasfülldruck des rechten
: Gasspeichers
V_SRFÜLL: Werkseitiges Gasfüllvolumen des rechten
: Gasspeichers

Claims

Verfahren zur Betätigung eines Wankausgleichaktuators in einem Kraftfahrzeug mit einem hydropneumatischen Federungssystem, bei dem zwischen einer Fahrzeugradachse und der Fahrzeugkarosserie zwei Federzylinder angeordnet sind, die über jeweils zwei Druckräume zur Aufnahme eines flüssigen Druckmittels verfügen, wobei bei beiden Federzylindern der erste Druckraum über jeweils eine Druckmittelleitung mit einen dem jeweiligen Federzylinder zugeordneten hydropneumatischen Druckspeicher verbunden ist, und der jeweils zweite Druckraum über jeweils eine weitere Druckleitung in einer hydraulischen überkreuzverbindung mit dem Druckspeicher des jeweils anderen Federzylinders in Verbindung steht, und bei dem mit Hilfe eines von einem Steuergerät gesteuerten Aktuators ein Druckmittelvolumen zwischen den Druckräumen der beiden Federzylinder bzw. der beiden Druckspeicher derart hin- und her verschiebbar ist, dass eine Wankbewegung des Fahrzeuges ausgleichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und Regelung der Fördertätigkeit des Aktuators in Abhängigkeit von dem aktuellen Gasdruck P_SL, P_SR in wenigstens einem der beiden hydropneumatischen Druckspeicher sowie von den relativen Zylinder- oder Kolbenwegen ΔY_AR und ΔY_AL bei einer Wankbewegung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Ermittlung eines Soll-Verschiebevolumenswertes in Abhängigkeit von einem gemessenen oder errechneten Wankwinkel und/oder einer gemessenen oder errechneten Aufbauquerbeschleunigung, – Ermittlung der Richtung, in die das Druckmittelvolumen verschoben werden soll, – Fördern eines Druckmittelvolumens durch den Aktuator von einem Zylinderinnenraum bzw. Druckspeicher in den anderen Zylinderinnenraum bzw. Druckspeicher, – Berechnung des Istwertes des von dem Aktuator geförderten Druckmittelvolumens aus dem aktuellen Gasdruck P_SL bzw. P_SR im hydropneumatischen Druckspeicher und den relativen Zylinder- oder Kolbenwegen ΔY_ARund ΔY_AL, – Differenzbildung zwischen dem Soll-Verschiebevolumenwert und dem Ist-Verschiebevolumenwert zur Ermittlung eines Rest-Verschiebevolumenwertes, – wenn der Rest-Verschiebevolumenwert > Null ist, weitere Betätigung des Aktuators mit dem vorbeschriebenen Regelungsablauf, bis der Wankausgleich vollzogen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des durch den Aktuator verschobenen Druckmittelvolumens nach der Gleichung
für den rechten Federzylinder bzw. rechten Druckspeicher und
für den linken Federzylinder bzw. linken Druckspeicher erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Vergleich der Verschiebevolumenwerte V_AR und V_AL für den rechten und den linken Federzylinder bzw. für den rechten und den linken Druckspeicher der Betrag und die Richtung einer ggf. auftretenden Aktuatorleckage ermittelbar ist.
Steuerungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (32) über Sensorleitungen (33, 34) mit Gasdrucksensoren (35, 36) an hydropneumatischen Druckspeichern (26, 27), über Sensorleitungen (37, 38) mit Wegsensoren (39, 40) an den Federzylindern (1, 2) oder an deren Kolben (3, 13; 4, 14) sowie über eine Steuerleitung (41) mit dem Aktuator (23) signaltechnisch verbunden ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (32) mit einer Antriebseinrichtung (42) am Aktuator (23) verbunden ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (42) einen Elektromotor oder einem hydraulischen Antriebsmechanismus aufweist.
Steuerungseinrichtung wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (23) als Zahnradpumpe oder als elektromotorisch bzw. hydraulisch verstellbarer Kolben in einer Kolben-Zylinder-Anordnung mit zwei Druckräumen ausgebildet ist.
Steuerungseinrichtung wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung mit einem Wanksensor, vorzugsweise mit einem Wankwinkelsensor (44) über eine Sensorleitung (45) und/oder über einen Aufbauquerbeschleunigungssensor (50) über eine Sensorleitung (51) verbunden ist.