-
Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugsitz
für Kraftfahrzeuge,
insbesondere für
Personenkraftfahrzeuge, aber auch für Lastkraftwagen oder Nutzfahrzeuge,
mit einer aktiven Sitzfederung. Die aktive Sitzfederung wirkt Vibrationen
und Erschütterungen,
die vom Fahrzeugboden in den Sitz eingebracht werden, mittels elektrischer
Aktoren entgegen.
-
Den nächstkommenden Stand der Technik bildet
das japanische Patent der Mitsubishi Motor Corp.
JP 09109757 . Dieses Dokument offenbart
eine aktive Sitzfederung mittels elektrischer Aktoren. Vibrationen,
die vom Fahrzeugboden über
das Sitzuntergestell in den Sitz eingeleitet werden, werden mit einem
Vibrationssensor erfasst. Ein zweiter Beschleunigungssensor am Sitz
selbst misst die am Sitz auftretenden Beschleunigungen in vertikaler
Richtung. Die Signale des Vibrationssensors und die Signale des
Beschleunigungssensors werden in einer Regelung zur Ansteuerung
des elektrischen Aktors verarbeitet. Regelstrategie ist es daher,
mit den elektrischen Aktoren den in den Sitzunterbau eingeleiteten
Vibrationen entgegenzuwirken, damit der Sitz möglichst in seiner vertikalen
Lage nicht verändert wird.
Die Regelstrecke zur Ansteuerung des ebenfalls vertikal angeordneten
Aktors enthält
ein Filter, mit dem niederfrequente Störungen herausgefiltert werden.
Gemäß der konstruktiven
Gestaltung des Sitzunterbaus ist die aktive Sitzfederung hauptsächlich für Nutzfahrzeuge
geeignet.
-
Die zuvor genannte Patentschrift
arbeitet mit einem Bewegungfreiheitsgrad und mit stehend angeordneten
elektrischen Aktoren oder Dämpfungsmitteln.
In den Sitz eingeleiteten Vibrationen oder Erschütterungen wird dadurch auch
nur in vertikaler Richtung aktiv entgegengewirkt. Zudem erfordert
die vertikale Anordnung der Aktoren eine Bauhöhe des Sitzuntergestells, die
nur in größeren Nutzfahrzeugen
zur Verfügung
steht. Nick- oder Rollbewegungen des Sitzes kann mit einer solchen
Anordnung nicht entgegengewirkt werden.
-
Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, einen
Fahrzeugsitz mit aktiver Sitzfederung anzugeben, dessen Aktorik
in der Lage ist auch Nick- oder Rollbewegungen des Sitzes entgegenzuwirken.
Zudem soll der Fahrzeugsitz nicht nur in Lastkraftwagen oder Nutzfahrzeugen
einsetzbar sein, sondern auch in Personenkraftfahrzeugen eingesetzt
werden können.
-
Die Aufgabe wird gelöst mit einem
Fahrzeugsitz mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen sind
in den Unteransprüchen
und in der Beschreibung enthalten.
-
Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden
Vorteile erzielt:
-
Die konstruktive Gestaltung des Sitzuntergestells
ist mit liegenden Aktoren ausgeführt,
die über Gelenke
ein aktives Entgegenwirken gegenüber
den vom Unterboden eingeleiteten Vibrationen ermöglichen. Die liegende Anordnung
der Aktoren ermöglicht
eine deutlich reduzierte Bauhöhe
des Sitzunteruntergestells, so daß der Sitz auch in Personenkraftfahrzeugen
eingebaut und eingesetzt werden kann.
-
Die Konstruktion des Sitzuntergestells
ermöglicht
eine aktive Federung des Sitzes mit zwei Bewegungsfreiheitgraden.
Damit ist es nicht nur, wie bisher, möglich, vertikalen Beschleunigungen,
die auf den Sitz einwirken, entgegenzuwirken, sondern es können auch
Nickbewegungen des Fahrzeugs um die Quer achse oder Wankbewegungen
des Fahrzeugs um die Längsachse
ausgeglichen werden.
-
Der Komfort für die Fahrzeuginsassen wird mit
dem hier vorgeschlagenen Fahrzeugsitz ganz erheblich gesteigert.
-
Die Sitze im Fahrzeug stellen eine
essentielle Schnittstelle zwischen Menschen und Fahrzeug von hoher
Kundenrelevanz dar. Dabei wird der Sitzkomfort neben der Sitzkontur
und Polsterung maßgeblich
durch die auf den Fahrgast einwirkenden mechanischen Schwingungen
und Stöße bestimmt,
die im wesentlichen den subjektiv empfundenen Fahrkomfort prägen. Trotz
kontinuierlicher Verbesserungen am Fahrwerk und am Antriebsstrang
müssen
die störenden
Schwingungen vor allem im oberen Frequenzbereich vom Sitzsystem
absorbiert werden.
-
Ziel der Erfindung ist eine spürbare Erhöhung des
Schwingungskomforts, um für
den Premium-Komfortanspruch der Kunden auch zukünftig innovative Lösungen zu
bieten. Da dies mit passiv gefederten Sitzen wegen ihres weitgehend
erschöpften Optimierungspotentials
nicht erzielt werden kann, wurde eine aktive Sitzfederung entwickelt,
mit der eine weitgehend dynamische Entkopplung des Sitzes von den über die
Konsole in den Sitz eingeleiteten Schwingungen und Vibration erreicht
wird.
-
Die besondere Herausforderung bei
der aktiven Sitzfederung ist die Realisierung einer geeigneten Regelung
oder Steuerung, welche einerseits die stochastische Natur der Schwingungsanregung
beherrscht, sich anderseits aber auch bei Insassen unterschiedlichen
Gewichts und unterschiedlicher Sitzhaltung durch eine hohe Regelgüte bzw.
Steuerungsgüte
auszeichnet.
-
Um dem Ziel einer möglichst
guten Schwingungsunterdrückung
gerecht zu werden, wird ein leistungsfähiges Regelungskonzept mit
variabel implementierbarem Übertragungsverhalten
vorgeschlagen, das lediglich als Eingangsinformation die Beschleunigung
des Sitzes benötigt.
-
Bei der erfindungsgemäßen aktiven
Federung wird der Auswahl eines für den Fahrzeuginnenraum tauglichen
Aktorikkonzeptes besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Es soll kompakt,
geräusch- und leckagefrei
sein. Verwendung finden die erst seit kurzer Zeit auf dem Markt
erhältlichen
elektrischen Lineardirektantriebe. Diese Aktoren zeichnen sich durch
eine hohe Dynamik aus und gewährleisten
einen Betrieb in allen vier Quadranten des Kraft-Geschwindigkeits-Diagramms.
Hierdurch können
nahezu beliebige virtuelle Steifigkeiten und Dämpfungen implementiert werden,
die eine gezielte Beeinflussung des Sitzübertragungsverhaltens ermöglichen. Zur
Minimierung der Kosten und des Energieverbrauchs erfolgt die statische
Sitzabstützung über eine
passive Federung 3a, 3b.
-
Die Realisierung des aktiv gefederten
Sitzes erfolgt unter Berücksichtigung
ergonomischer Gesichtspunkte (Wahl der Freiheitsgrade) und unter Einbezug
der Crashsicherheit. Dazu wird der Gesamtsitz auf einen in zwei
Koordinaten (Hub- und Nickrichtung oder Hub- und Rollrichtung) beweglichen
Schwingrahmen 2 montiert, der über vier Federn passiv abgestützt wird.
Zur aktiven Schwingungsisolierung werden die beschriebenen elektrischen
Linearaktoren 4a, 4b eingesetzt, die parallel
zu den Anlenkpunkten der Federn über
die drehbar gelagerten Winkelstücke 6a,6b auf
die Dynamik des Sitzes einwirken. Durch die so erzielte flache Bauweise kann
dieses Konzept auch im Personenkraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
-
Als Sensorik für die Regelung bzw. die Steuerung
werden in der umfassendsten Ausführung
des Sitzes nach 4 insgesamt
vier Beschleunigungssensoren im Bereich der Federanlenkpunkte installiert,
wovon für
einen geschlossenen Regelkreis nur zwei erforderlich sind (je Freiheitsgrad
ein Sensor).
-
Anhand repräsentativer Messungen von Sitz-
und Insassenbeschleunigungen im Fahrversuch und anhand des Wahrnehmungsverhaltens
von Insassen wurden die Freiheitsgrade festgelegt, für die vorrangig
eine Verbesserung der Schwingungsunterdrückung anzustreben ist. Dabei
erfährt
der menschliche Körper
in allen Fahrzeugtypen den wesentlichen Schwingungseintrag durch
vertikale Vibrationen und Stöße. In Folge
dessen wurde sowohl für den
Pkw- als auch für
den Nutzfahrzeug-Bereich ein Konzept zur aktiven Sitzfederung in
z-Richtung erstellt. Insbesondere für Pkw erfordert die Bauraumbeschränkung im
Innenraum der Pkw ein aktives Federungskonzept, das sich auf möglichst
geringem Bauraum in vertikaler Richtung realisieren läßt. Als geeignet
erwies sich die Einleitung der Aktorkräfte an den vorderen und hinteren
Punkten der Konsolenbefestigung. Hierdurch wird ein Einfluß auf die
Vertikal- und Nickdynamik von Sitz und Insasse ermöglicht. Unter
der Randbedingung einer minimalen Aufbauhöhe wurden die Linearaktoren 4a, 4b (ausgeführt als
zweiphasige Synchronmotoren) horizontal in die Sitzkonstruktion
integriert und die abtriebsseitige Aktorbewegung durch einen einfachen
Mechanismus, der über
drehbar gelagerte Winkelstücke 6a, 6b stattfindet,
in die vertikale Richtung umgelenkt.
-
Zur Minimierung der Kräfte übernimmt
die passive Federung 3a, 3b die Abstützung der
Grundlast von Sitz und Insasse. Sie ist darüber hinaus so dimensioniert,
-
- – daß der zur
Kompensation der Störungen
erforderliche Schwingweg hinreichend groß ist,
- – daß dem Durchschlagen
der Federung durch progressive Kennung entgegen gewirkt wird,
- – daß bei Ausfall
der Aktoren die Eigenfrequenz den sonst üblichen Wert (ca. 4 Hz) aufweist.
-
Die Linearmotoren sind durch eine
speisende Elektronik so ausgeführt,
daß sie
strom- bzw, kraftgeregelt sind. Der Kraftsollwert wird von der überlagerten
Sitzregelung bzw. Sitzsteuerung generiert und als additive Wechselkraft
parallel zu den Federn auf den Sitz eingeleitet.
-
Informationen über den Bewegungszustand des
Pkw-Sitzes erhält
man, indem am vorderen und hinteren Teil des beweglich gefederten
Sitzrahmens je ein Beschleunigungssensor 11a,11b implementiert wird,
dessen Signal der Regelung bzw. Steuerung zugeführt wird. Auf Meßeinrichtungen
an den Oberflächen
von Sitz- und Lehnenkissen wird verzichtet, da sich diese wegen
der damit verbunden Komfortbeeinträchtigung und der deutlich höheren Kosten
als nicht praxisgerecht erweisen. Diese fehlende Messung der eigentlich
zu regelnden Größe der Beschleunigung
des Insassen erfordert den Einsatz geeigneter Modelle, um zu einer
befriedigenden Störunterdrückung zu
kommen.
-
Sinnvoll erscheint dafür die Installation
von zwei zusätzlichen
Beschleunigungssensoren 12a, 12b auf dem Konsolenboden
im Bereich der Abstützpunkte,
die Informationen über
den eingeleiteten Schwingeintrag für eine optionale Störgrößenkompensation
liefern.
-
Die Ausführung einer aktiven Federung
für Nutzfahrzeug-Schwingsitze gestaltet
sich einfacher. Da sich der Ansatz nur in der Geometrie und Kinematik
unterscheidet, das methodische Vorgehen aber identisch ist, wird
im weiteren das Vorgehen am Pkw-Sitz erläutert.
-
Als Grundlage für den Entwurf der Regelung ist
das dynamische Verhalten von Sitz und Insasse zu modellieren. Für dessen
Beschreibung werden Mehrmassenschwinger mit konzentrierten Koppelelementen,
bestehend aus Federn und Dämpfern,
herangezogen. Zugrunde liegt hierbei die vereinfachende Annahme,
daß sich
die kontinuierlich verteilte Masse des menschlichen Körpers wie
eine starre Masse verhält.
Die Masse des menschlichen Körpers ist über die
Schäume
von Sitzkissen und Lehne viskos-elastisch mit der Masse des Sitzes
gekoppelt. Damit resultiert das in 11 dargestellte
Dynamikmodell von Insasse und Sitz für den aktiv gefederten Pkw-Sitz.
-
Der kontinuierlich verteilte Schaum
des Sitzkissens wird durch konzentrierte Steifigkeiten und Dämpfungen
in normaler und tangentialer Richtung zur Oberfläche approximiert, während für das Lehnenkissen
eine viskos-elastische Kopplung in Normalenrichtung angenommen wird.
Somit ergeben sich mindestens zwei Freiheitsgrade für das Modell: einerseits
die Hub- und Nickbewegung
sowie andererseits die Hub- Rollbewegung des Sitzes.
-
Die hergeleiteten Modelle sind für den Entwurf
der Regelung als nichtlineares Zustandsdifferentialgleichungssystem
in der Steuerungs- oder Regelungselektronik für die Linearaktoren implementiert.
-
Im folgenden werden verschiedene
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Fahrzeugsitzes
anhand von Figuren näher
erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 Eine
aktive Sitzfederung mit zwei geschlossenen Regelkreisen;
-
2 Eine
aktive Sitzfederung mit zwei geschlossenen Regelkreisen und mit
Störgrößenaufschaltung
und Feed Forward Compensation;
-
3 Eine
aktive Sitzfederung mit zwei geschlossenen Regelkreisen und mit
Entkopplungsnetzwerk für
die beiden Regelkreise;
-
4 Eine
aktive Sitzfederung mit zwei geschlossenen Regelkreisen und mit
Entkopplungsnetzwerk und Störgrössenaufschaltung
mit Feed Forward Compensation;
-
5 Eine
aktive Sitzfederung mit zwei Steuerungen und mit Störgrößenaufschaltung
unter Berücksichtigung
der Streckenkopplung;
-
6 Eine
aktive Sitzfederung mit zwei Steuerungen und mit Störgrößenaufschaltung
ohne Berücksichtigung
der Streckenkopplung;
-
7 Eine
aktive Sitzfederung mit zwei geschlossenen Regelkreisen und mit
Störgrößenaufschaltung
unter Berücksichtigung
der Streckenkopplung;
-
8 Eine
aktive Sitzfederung mit zwei geschlossenen Regelkreisen und mit
Entkopplungsnetzwerk und Störgrößenaufschaltung,
wobei die Störgrößenaufschaltung
die Kopplung der Strecken unberücksichtigt
läßt;
-
9 Eine
Aufsicht auf die Sitzmechanik mit Umlenkgestänge, Schwingrahmen und liegend
angeordneten Aktoren für
die Kompensation von Nickbewegungen oder Rollbewegungen, je nach
Einbaulage des Sitzes;
-
10 Eine
aktive Sitzfederung mit stehend angeordneten Aktoren;
-
11 Ein
mathematisches Sitzmodell für die
modellbasierten Regelungs- bzw. Steuerungskonzepte.
-
Die aktive Sitzfederung umfasst im
wesentlichen einen mittels Aktoren verstellbaren Schwingrahmen und
die zum Betrieb der Aktoren notwendige Steuerungs- und Leistungselektronik.
Die folgenden Ausführungsbeispiele
verwenden jeweils die identische Sitzmechanik, weshalb die Sitzmechanik lediglich
im Zusammenhang mit den 1 und 9 einmal für alle Ausführungsbeispiele
beschrieben wird. Die einzelnen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich
hinsichtlich Aufwand und Güte
betreffend das Regelungs- bzw. Steuerungskonzeptes für die Aktoren
der Sitzmechanik.
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in ihrer Grundausstattung. Ein gepolsterter Fahrersitz 1 ist
auf einem Schwingrahmen 2 befestigt. Der Schwingrahmen
ist mit insgesamt vier Federn 3a, 3b gegenüber dem
Unterboden abgestützt. Über die
Federkonstante und die Dämpfungskonstante
der Federn, läßt sich
eine passive Federung und Dämpfung
des Sitzes einstellen und erreichen. Der passiven Sitzfederung aus
Federmechanismus und Sitzpolsterung wird eine aktive Sitzmechanik überlagert.
Die aktive Sitzmechanik besteht aus dem Schwingrahmen 2,
an den mindestens zwei Aktoren 4a, 4b angelenkt
sind. Die Aktoren können
hierbei elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch angetrieben sein.
Vorzugsweise werden elektrische Linearmotoren als Stellelemente
für die
Sitzmechanik verwendet. Vorzugsweise sind die Aktoren als elektrische
Linearmotoren liegend unter dem Sitz eingebaut. Um die horizontale
Linearbewegung der Aktorstangen 5a, 5b in eine
vertikale Bewegung sowie eine Nickbewegung des Fahrgastsitzes umzusetzen, sind
die Aktoren über
ein Umlenkgestänge
an den Schwingrahmen 2 des Fahrgastsitzes angelenkt.
-
Eine Aufsicht auf das Umlenkgestänge ist
in 9 skizziert. Demnach
besteht das Umlenkgestänge
aus einem ersten Winkelstück 6a und
zweiten Winkelstück 6b.
Jeweils an dem nach unten gerichteten Schenkel des ersten und des
zweiten Winkelstücks
ist eine Aktorstange angelenkt. Die Aktoren 4a, 4b selbst
sind über
Drehlager 7a, 7b mit dem Fahrzeugchassis verbunden.
Ebenso ist das erste Winkelstück
und das zweite Winkelstück über eine Drehlagerung 8a, 8b mit
der chassisseitigen Sitzaufhängung 9 verbunden.
An den zweiten Schenkel der Winkelstücke, dessen Ausrichtung im
wesentlichen horizontal und zum Sitz hin gerichtet ist, ist der Schwingrahmen 2 des
Fahrzeugsitzes angelenkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Schwingrahmen an dem zweiten Winkelstück direkt angelenkt, während der
Schwingrahmen an dem ersten Winkelstück über zwei Ausgleichsglieder 10 angelenkt
ist. Die Ausgleichsglieder sind u.a. notwendig um die Kreisbogenbewegung
der Anlenkpunkte des Schwingrahmens bei Betätigung mindestens einer der
beiden Aktoren in horizontaler Richtung ausgleichen zu können. Außerdem erlauben
die Ausgleichsglieder neben einer reinen vertikalen Ausgleichsbewegung
des Sitzes gegenüber
Erschütterungen
des Fahrzeugchassis auch eine Kompensation der Nick- oder Rollbewegung
des Sitzes, je nach Einbaulage der Sitzmechanik relativ zur Fahrtrichtung.
Die Nick- oder Rollbewegung des Sitzes wird durch unterschiedlich
große
horizontale Stellwegänderungen der
Aktorstangen 5a, 5b bewirkt. Damit sind auch die beiden
Bewegungsfreiheitsgrade der aktiven Sitzfederung aufgezeigt, nämlich die
Hubbewegung einerseits und die Nick- oder Rollbewegung andererseits.
-
Der erste Bewegungsfreiheitsgrad
ist die vertikale Auf- und Ab- Bewegung des Sitzes bei gleichmäßiger, vertikaler
Auslenkung der horizontalen Schenkel der beiden Winkelstücke. Die
Auslenkung wird hervorgerufen durch entsprechend den Hebelverhältnissen
der Umlenkmechanik abgestimmten Verstellwegen der Aktorstangen.
-
Der zweite Bewegungsfreiheitsgrad
ist die angesprochene Nickbewegung oder Rollbewegung des Sitzes.
Eine Nickbewegung tritt auf, bei unterschiedlicher vertikaler Auslenkung
der vorderen und hinteren Anlenkpunkte des Schwingrahmens 2.
Auch diese Nickbewegung wird durch Verstellwege der Aktorstangen
hervorgerufen, die entsprechend den Hebelverhältnissen der Umlenkmechanik
auf den Schwingrahmen des Fahrzeugsitzes übertragen werden.
-
Eine Nickbewegung um die Fahrzeugquerachse
des Sitzes bzw. deren Kompensation ergibt sich bei einer Einbaulage
des Sitzes entsprechend der mit dem Pfeil N angedeuteten Ausrichtung
der Sitzmechanik. Der Pfeil N deutet hierbei in die vorgesehene
Fahrrichtung des Fahrzeugs.
-
Eine Rollbewegung um die Fahrzeuglängsachse
des Sitzes bzw. deren Kompensation ergibt sich bei einer um 90° gedrehten
Einbaulage des Sitzes entsprechend der mit dem Pfeil R angedeuteten Ausrichtung
der Sitzmechanik.
-
Die zuvor im Zusammenhang mit 1 und 9 beschriebene Sitzmechanik ist für die Ausführungsbeispiele
der 2 bis 8 identisch. Die Ausführungsbeispiele
unterscheiden sich jedoch in der Steuerungs- und Regelungselektronik
für die
beiden Aktoren der Sitzmechanik.
-
Ziel der Regelung ist ein vibrationsfreies
Sitzen. Dies bedeutet, daß die
Zustandsgrößen des
Sitzes zu Null zu regeln sind und der Entwurf der Regelung optimal
bzgl. des Störverhaltens
vorzunehmen ist. Wird die Sitzregelung in eine übergeordnete Fahrdynamik-Regelung
integriert, dann kann sich unter ergonomischen Aspekten das Führen der
Sitzbewegung über
die Sollwerte als vorteilhaft erweisen, was hier nicht näher betrachtet
wird.
-
Der Regelung liegt das im Zusammenhang mit 11 beschriebene Modell zugrunde.
Durch geeignete Linearisierungen einerseits und regelungstechnische
Maßnahmen
zur weitgehenden Kompensation der inhärenten Kopplungen zwischen
den Freiheitsgraden andererseits lassen sich die für die Regelung
erforderlichen Teilmodule Regler R1, Regler R2, Stellglied S1, Stellglied
S2, Störgrößenaufschaltung
durch Feed Forward Compensation FFC1, FFC2 und Entkopplungsnetzwerk
E parametrisieren. Da beim jeweiligen Teil-Zustandsregler R1, R2
neben der Beschleunigung auch die Geschwindigkeit und Position zurückgeführt werden,
sind Geschwindigkeit und Position aus dem Beschleunigungssignal
der Beschleunigungssensoren 11 auf dem Schwingrahmen 2 durch
approximierende Integration zu generieren. Von entscheidender Bedeutung
ist dabei für
die Gesamtdynamik der Regelung die Eckfrequenz der hierfür erforderlichen
Hochpaßfilterung
(zur Vermeidung divergierender Integrationen durch praktisch immer
vorhandene Offsets). Mit dem Parameter "Eckfrequenz" erfolgt die Abgrenzung der dynamischen
Schwingungsunterdrückung
von aktiver Sitzfederung zu der des Fahrwerks. Die Eckfrequenzen können für jeden
Freiheitsgrad unterschiedlich gewählt werden. Wegen der Begrenzung
der maximal zur Verfügung
stehenden Aktorkraft und dem bauraumbegrenzten Schwingweg werden
diese für
die Pkw-Sitzregelung auf ca. 2Hz festgelegt. Eine geringere Frequenz
ist zudem ergonomisch nicht sinnvoll, da die Sitzregelung dann den
Eigenbewegungen des Insassen im starken Maße entgegenwirkt, was das erwartete
Sitzgefühl
stark negativ beeinträchtigt.
Sofern noch Kraft- und Schwingwegreserven zur Verfügung stehen,
läßt sich
eine verbesserte Unterdrückung
der niederfrequenten Störungen
durch die im Konzept berücksichtigte
Störgrößenaufschaltung FFC
unter Verwendung der Konsolenbeschleunigung, gemessen durch die
zusätzlichen
Beschleunigungssensoren 12 am Konsolenboden, erreichen.
-
Die Aktoren werden jeweils von elektronischen
Stellgliedern S1, S2 angesteuert. Die Steuerbefehle für die Aktoren
werden modellbasiert ermittelt. Die Verstellwege der Aktoren müssen entsprechend
den Abmessungen des Konstruktionsmodells der Sitzmechanik mittels
eines Mikrocomputers errechnet und in Steuerungsbefehle für die Aktoren umgesetzt
werden.
-
Dies geschieht bei der Ausführung nach 1 beispielsweise in den
Mikrorechnerbausteinen der beiden Regler R1 und R2. Zu diesem Zweck
ist der erste Regler R1 mit dem ersten Beschleunigungssensor 11a und
mit dem ersten Stellglied S1 zur Ansteuerung des ersten Aktors 4a verbunden. Das
Signal des ersten Beschleunigungssensors ist die Regelgröße a1 für den Regler.
Aus der Regelgröße a1 und
der vorgegebenen Führungsgröße a·1=0 wird
modellbasiert eine korrigierende Stellkraft F·1 ermittelt. In dem Stellglied
wird aus der korrigierenden Stellkraft F·1 dann der erforderliche
Strom i1 für den
Antrieb des Aktors ermittelt. Analog wird für den zweiten Regelkreis, bestehend
aus dem zweiten Regler R2, dem zweiten Stellglied S2, dem zweiten Aktor 4b und
dem zweiten Beschleunigungssensor 11b am hinteren Federabstützpunkt
des Schwingrahmens 2 verfahren. Als Führungsgröße wird dem Regler der Beschleunigungswert
a·2 vorgegeben,
der bestimmungsgemäß den Wert
Null hat. Aus der Abweichung von Führungsgröße und der am hinteren Federabstützpunkt
gemessenen Beschleunigung a2 als Regelgröße wird im Regler R2 eine korrigierende Stellkraft
F·2 modellbasiert
errechnet und daraus im Stellglied S2 ein Stromwert i2 für die erforderliche Verstellung
des Aktors ermittelt.
-
Das Ausführungsbeispiel der 2 erweitert die Grundausstattung
der des im Zusammenhang mit 1 diskutierten
Ausführungsbeispiels
um eine einfache Störgrößenaufschaltung
FFC1, FFC2 in Form einer Feed Forward Compensation, getrennt für jeden
geschlossenen Regelkreis. Hierzu wird der mechanische Aufbau des
Sitzes mit zwei zusätzlichen Beschleunigungssensoren 12 bestückt. Die
zusätzlichen
Beschleunigungssensoren befinden sich an der Konsole des Fahrzeugchassis
an den Federabstützpunkten
der Sitzfederung und messen die vom Fahr zeugchassis in den Sitzunterbau
eingeleiten Beschleunigungen bzw. Kräfte. Die Signale dieser beiden
zusätzlichen
Sensoren werden eingangsseitig einer Störgrößenaufschaltung FFC zugeführt, die
als sogenannte Feed Forward Compensation ausgebildet ist. Jeder
Regelkreis erhält
eine eigene unabhängige
Störgrößenaufschaltung,
deren Ausgang jeweils auf den eingangsseitigen Summationspunkt zwischen
den beiden Reglern R1 und R2 einerseits und den beiden Stellgliedern
S1 und S2 andererseits gelegt ist. Ziel der als Feed Forward Compensation
ausgebildeten Störgrößenaufschaltung
ist es, eingeleitete Störungen
möglichst
frühzeitig
zu erkennen und Gegenmaßnahmen
treffen zu können,
bevor die Sitzmechanik mit ihrer Massenträgheit überhaupt anspringt.
-
Ausgehend von dem Ausführungsbeispiel der 1 läßt sich der Komfort der aktiven
Sitzfederung verbessern, wenn man die beiden Regelstrecken der Regelkreise
mit einem Entkopplungsnetzwerk E entkoppelt, wie in 3 skizziert. Mit dem Entkopplungsnetzwerk
werden die Kopplungen der beiden Bewegungsfreiheitsgrade der Sitzmechanik auf
rechnerischem Wege aufgehoben. Das rechnerische Ergebnis wird dann
mittels geeigneter elektronischer Schaltungen physikalisch in das
Regelkonzept integriert. Dieses Entkopplungsnetzwerk E verwendet
hierbei die Ausgangsgrößen der
beiden Regler R1 und R2 und wandelt die Sollstellgrößen in kopplungsfreie
Stellgrößen für die nachfolgenden
Stellglieder S1 und S2 der Sitzaktorik um.
-
Die umfassendste Ausführungsform
der Erfindung stellt das Ausführungsbeispiel
der 4 dar. Hier wird
zur Regelung des aktiv gefederten Sitzes eine Mehrgrößen-Zustandsregelung
eingesetzt, die den Sitz in seinen zwei Freiheitsgraden weitgehend von
den eingeleiteten Störungen
isoliert. Deshalb ist in der bevorzugten Ausführungsform entsprechend der 4 pro Bewegungsfreiheitsgrad
ein Regler und ein Stellglied vorgesehen, wobei die beiden Regelkreise
zusätzlich
mit einem Entkopplungsnetzwerk entkoppelt sind und die Stellglieder
eine zusätzliche
Störgrößenaufschaltung
haben, die ihrerseits ebenfalls die Kopplung der beiden Bewegungsfreiheitsgrade
berücksichtigt.
-
Ein erster Regler R1 ist mit einem
ersten Beschleunigungssensor 11a am vorderen Federabstützpunkt
verbunden. Das Signal des Beschleunigungssensors ist die Regelgröße a1 für den ersten Regler.
Als Führungsgröße erhält der Regler
den Beschleunigungswert a·1
vorgegeben. Die Führungsgröße der Beschleunigung
soll Null sein.
-
In analoger Weise ist der zweite
Regler R2 mit dem zweiten Beschleunigungssensor 11b auf dem
Schwingrahmen am hinteren Federabstützpunkt verbunden. Das Signal
dieses Sensors ist die Regelgröße a2 für den zweiten
Regler R2. Auch dieser Regler erhält als Führungsgröße a·2 den Beschleunigungswert
Null vorgegeben.
-
Die von der Konsole des Fahrzeugchassis
in die konsolenseitigen Federabstützpunkte eingeleiteten dynamischen
Kräfte
werden ebenfalls mit einem zusätzlichen
ersten und zweiten Beschleunigungssensor 12a, 12b gemessen.
Diese zusätzlichen
Beschleunigungssensoren sind am konsolenseitigen Federabstützpunkt
angeordnet. Die Signale dieser zusätzlichen Beschleunigungssensoren
werden als Eingangsgrößen einer
Störgrößenaufschaltung
FFC zugeleitet. Die Störgrößenaufschaltung
beinhaltet eine Feed Forward Compensation unter Berücksichtigung
der Streckenkopplung der beiden Regelstrecken der Sitzmechanik.
Mittels modellbasierter Algorithmen wird in den Rechenmodulen der
Störgrößenaufschaltung
für jedes
Stellglied S1 und S2 zu den in der Konsole gemessenen Kräften eine
dieser Störung
entgegenwirkende, korrigierende Stellkraft berechnet und als Stellgröße auf einen
Summationspunkt am jeweiligen Stellgliedeingang gegeben.
-
Zwischen den beiden Reglern R1 und
R2 und den beiden Stellgliedern S1 und S2 zur Ansteuerung der beiden
Linearaktoren 3a, 3b ist ein Entkopplungsnetzwerk
E. Mit dem Entkopplungs netzwerk werden die inhärenten Kopplungen der beiden Regelstrecken
entkoppelt. Die beiden Regelstrecken für die Vertikalbewegung des
Schwingrahmens und für
die Nickbewegung des Schwingrahmens sind über die beiden Drehlagerungen
der Winkelstücke gekoppelt.
Um eine Vertikalbewegung rückwirkungsfrei
auf die Nickbewegung des Schwingrahmens und umgekehrt ausführen zu
können,
müssen
die beiden Bewegungsfreiheitsgrade entkoppelt werden. Dies erfolgt
mit dem Entkopplungsnetzwerk E. Ausgangsseitig vom Entkopplungsnetzwerk
stehen dann die beiden bzgl. der Regelgrößen entkoppelten Stellgrößen für die Stellglieder
der beiden Linearaktoren zur Verfügung. Diese Stellgrößen werden
ebenfalls auf die beiden Summationspunkte eingangsseitig der beiden
Stellglieder gegeben. In den Stellgliedern werden aus den aufsummierten
Stellgrößen aus Störgrößenaufschaltung
und entkoppelten Reglerstellgrößen F·1, F·2 die
notwendigen Ströme
zur Verstellung der Kraft-Strom
gesteuerten Linearaktoren bestimmt und auf die Linearaktoren gegeben.
Letztlich wird durch diesen Prozeß eine Gegenbewegung des Sitzes
in zwei Bewegungsfreiheitsgraden eingeleitet, wobei die Gegenbewegung
einer von der Konsole eingeleiteten Bewegung des Sitzes entgegenwirkt.
-
Das Ausführungsbeispiel der 5 zeigt eine vereinfachte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen aktiven
Sitzfederung. Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsformen
wird beim Ausführungsbeispiel
der 5 auf eine Regelung verzichtet.
Die Ausführungsform
dieser aktiven Sitzfederung enthält
wiederum die Sitzmechanik aller zuvor genannten Ausführungsformen,
allerdings werden die Sitzaktoren lediglich mit einer Steuerung
mit Störgrößenaufschaltung
FFC betrieben. Eine Regelung der Aktoren der Sitzmechanik ist hier
nicht enthalten. Die Steuerung umfasst hierbei die beiden Stellglieder
S1 und S2 für
die beiden Aktoren 4a, 4b sowie die Störgrößenaufschaltung
FFC, die als Feed Forward Compensation ausgebildet ist. Als Eingangsstörgrößen für die Störgrößenaufschaltung werden
die Signale zweier Beschleunigungssensoren 12a, 12b genommen.
Die beiden Beschleunigungssensoren sind an der Konsole des Fahrzeugchassis
an den Federabstützpunkten
der Sitzmechanik angebracht und erfassen die von der Konsole in die
Sitzmechanik eingeleiteten Beschleunigungen bzw. dynamischen Kräfte. Die
Störgrößenaufschaltung
bzw. die Feed Forward Compensation enthält eine rechnerische Berücksichtigung
der Streckenkopplung. Aus den Signalen der beiden Beschleunigungssensoren
werden modellbasiert gegenwirkende Stellkräfte berechnet, die eingangseitig
den Stellgliedern der Sitzaktoren zugeleitet werden und von den
Stellgliedern in Ströme
zum Betrieb der Aktoren umgesetzt werden.
-
Das Ausführungsbeispiel der 6 zeigt gegenüber der
in 5 gezeigten und beschriebenen Ausführungsform
eine weitere Vereinfachung der Erfindung. Die Vereinfachung ist
in der Störgrößenaufschaltung
FFC enthalten. Die Störgrößenaufschaltung
enthält
bei diesem Ausführungsbeispiel
keine Berücksichtigung
der Streckenkopplung. Es wird für jedes
Stellglied getrennt eine Feed Forward Compensation durchgeführt. Kompensiert
werden die von der Konsole in die Sitzmechanik eingeleiteten dynamischen
Kräfte.
Diese Störkräfte werden
mit jeweils einem Beschleunigungssensor 12 an dem vorderen Federabstützpunkt
und dem hinteren Federabstützpunkt
der Konsole gemessen und von den beiden Störgrößenaufschaltungsmodulen FFC1
und FFC2 in virtuelle korrigierende Stellkräfte für die Stellglieder umgerechnet.
Die Stellglieder berechnen aus den virtuellen Stellkräften die
für die
zugehörigen
Aktorbewegungen notwendigen elektrischen Ströme.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in 7 skizziert.
Diese Ausführungsform stellt
eine Vereinfachung der bevorzugten Ausführungsform nach 4 dar. Die Sitzmechanik
ist wiederum identisch wie in den bereits zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Das Regelungskonzept sieht zwei Regler R1 und R2, zwei Stellglieder
S1 und S2 und eine Störgrößenaufschaltung
FFC mit Berücksichtigung
der Streckenkopplung vor. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
der 4 wird in dem Ausführungsbeispiel
der 7 auf ein Ent kopplungsnetzwerk
verzichtet. Daraus ergibt sich mit anderen Worten folgendes Regelungskonzept:
-
Mit einem ersten vorderen Beschleunigungssensor 11a am
vorderen Federabstützpunkt
des Schwingrahmens 2 und einem zweiten hinteren Beschleunigungssensor 11b am
hinteren Federabstützpunkt
des Schwingrahmens 2 wird die zweidimensionale Bewegung
des Schwingrahmens erfasst. Das Signal des ersten Beschleunigungssensors
wird als Regelgröße auf den
ersten Regler gegeben. Das Signal des zweiten Beschleunigungssensors
wird als Regelgröße auf den
zweiten Regler R2 gegeben. Beide Regler erhalten als Führungsgröße den Beschleunigungswert
Null vorgegeben. Aus Regelgröße und Führungsgröße wird
in jedem Regler modellbasiert eine gegenwirkende virtuelle Stellkraft
ermittelt und an den jeweils folgenden Summationspunkt des jeweils
folgenden Stellglieds S1 und S2 übermittelt.
Mit zwei zusätzlichen
Beschleunigungssensoren 12 an der Konsole des Fahrzeugchassis
werden die von der Konsole in die Sitzmechanik eingeleiteten Kräfte ermittelt.
Hierzu ist ein vorderer zusätzlicher Beschleunigungssensor
am vorderen Federabstützpunkt
der Konsole und ein zweiter zusätzlicher
Beschleunigungssensor am hinteren Federabstützpunkt der Konsole angeordnet.
Die Signale dieser beiden zusätzlichen
Beschleunigungssensoren 12 werden auf den Eingang der Störgrößenaufschaltung FFC
gegeben. In der Störgrößenaufschaltung
werden mittels einer Feed Forward Compensation unter Berücksichtigung
der Streckenkopplung modellbasiert virtuelle, kompensatorische Kräfte berechnet und
ebenfalls auch die Summationspunkte der nachgeordneten Stellglieder
gegeben. Die kompensatorischen, virtuellen Kräfte wirken kompensatorisch
zu den von der Konsole als dynamische Störkräfte in die Sitzmechanik eingeleiteten
Kräften.
In den Stellgliedern wird aus den aufsummierten, virtuellen Stellkräften der
zugehörige
Betriebsstrom für
den dem jeweiligen Stellglied zugeordneten Aktor ermittelt und letztlich
der jeweilige Aktor mit diesem Strom betrieben.
-
Einer weitere vereinfachte Variante
der bevorzugten Ausführungsform
nach 4 ist in 8 skizziert. Auch in diesem
Ausführungsbeispiel
ist die Sitzmechanik identisch mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Das Regelungskonzept beinhaltet pro Bewegungsfreiheitsgrad der Sitzmechanik
eine Regelkette aus jeweils einem Regler R1, R2 und jeweils einem
Stellglied S1, S2, wobei zwischen den beiden Reglern und den beiden
Stellgliedern die Regelstrecken mit einem Entkopplungsnetzwerk E entkoppelt
sind. Zusätzlich
zum Entkopplungsnetzwerk enthält
das Regelungskonzept der Ausführungsform
nach 8 noch eine Störgrößenaufschaltung
FFC. Im Unterschied zur Ausführungsform nach 4 enthält die Störgrößenaufschaltung im Ausführungsbeispiel
nach 8 zwei getrennte Feed
Forward Compensationen, die die Streckenkopplung unberücksichtigt
lassen.
-
Mit einem ersten vorderen Beschleunigungssensor 11a am
vorderen Federabstützpunkt
des Schwingrahmens 2 und einem zweiten hinteren Beschleunigungssensor 11b am
hinteren Federabstützpunkt
des Schwingrahmens 2 wird die zweidimensionale Bewegung
des Schwingrahmens 2 erfasst. Das Signal des ersten Beschleunigungssensors
wird als Regelgröße auf den
ersten Regler R1 gegeben. Das Signal des zweiten Beschleunigungssensors
wird als Regelgröße auf den
zweiten Regler R2 gegeben. Beide Regler erhalten als Führungsgröße den Beschleunigungswert
Null vorgegeben. Aus Regelgröße und Führungsgröße wird
in jedem Regler modellbasiert eine gegenwirkende, virtuelle Stellkraft
ermittelt und an das nachgeordnete Entkopplungsnetzwerk E gegeben.
In dem Entkopplungsnetzwerk werden die Bewegungsgleichungen für die Sitzmechanik rechnerisch
entkoppelt und in kopplungsfreie, Sollstellkräfte umgerechnet. Diese-Sollstellkräfte werden auf
den jeweils folgenden Summationspunkt des jeweils folgenden Stellglieds
S1 und S2 übermittelt.
Mit zwei zusätzlichen
Beschleunigungssensoren 12a, 12b an der Konsole
des Fahrzeugchassis werden die von der Konsole in die Sitzmechanik
eingeleiteten Kräfte
ermittelt. Hierzu ist ein vorderer zusätzlicher Beschleunigungssensor
am vorde ren Federabstützpunkt
der Konsole und ein zweiter zusätzlicher
Beschleunigungssensor am hinteren Federabstützpunkt der Konsole angeordnet.
Das Signal des ersten zusätzlichen
Beschleunigungssensoren 12 wird auf den Eingang der ersten
Störgrößenaufschaltung FFC1
gegeben. Das Signal des zweiten zusätzlichen Beschleunigungssensoren 12 wird
auf den Eingang der zweiten Störgrößenaufschaltung
FFC2 gegeben. In den beiden Modulen FFC1, FFC2 der Störgrößenaufschaltung
werden mittels einer Feed Forward Compensation modellbasiert virtuelle,
kompensatorische Kräfte
berechnet und ebenfalls auf die Summationspunkte der nachgeordneten
Stellglieder gegeben. Die kompensatorischen, virtuellen Kräfte wirken kompensatorisch
zu den von der Konsole als dynamische Störkräfte in die Sitzmechanik eingeleiteten Kräften. In
den Stellgliedern wird aus den aufsummierten, virtuellen Stellkräften der
zugehörige
Betriebsstrom für
den dem jeweiligen Stellglied zugeordneten Aktor ermittelt und letztlich
der jeweilige Aktor mit diesem Strom betrieben.
-
10 veranschaulicht
eine Gruppe von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die mit jedem der 8 verschiedenen Regelungskonzepten
der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele
nach 1 bis 8 betrieben werden kann.
Diese acht verschiedenen Regelkonzepte werden aber mit einer abgeänderten Sitzmechanik
kombiniert, nämlich
mit einer Sitzmechanik bei der die Aktoren stehend angeordnet sind. Dies
erfordert natürlich
in der Höhe
mehr Bauraum, so daß diese
Sitzmechanik für
die Anwendung in Personenfahrzeugen weniger geeignet ist. In Nutzfahrzeugen
bietet jedoch die stehende Anordnung der Aktoren den Vorteil, daß gegenüber der
Sitzmechanik entsprechend der 1 ein
größerer aktiver
Federweg in vertikaler Richtung ermöglicht wird.
-
In der für Nutzfahrzeuge geeigneten
Ausführungsform
der Erfindung ist der Sitz auf einem Schwingrahmen 2 angeordnet.
Der Schwingrahmen ist mit mindestens zwei Federbeinaktoren an die Konsole
des Fahrzeugchassis angelenkt. Die Federbeinakto ren bestehen dabei
jeweils aus dem eigentlichen Aktor 4a,4b und dem
Federbein 3a,3b. Eine Scherengelenkmechanik 13 sorgt
für die
Seitenstabilität
der Sitzmechanik. Jeweils am vorderen und hinteren Federabstützpunkt
auf dem Schwingrahmen und an der Konsole sind Beschleunigungssensoren 11, 12 angeordnet,
die in ihrer Funktion und Wirkung identisch mit den entsprechenden,
zuvor beschriebenen Beschleunigungssensoren der Ausführungsbeispiele 1 bis 8 sind.
Eine allgemein als Regel/Steuereinheit CU dargestellte Elektronik übernimmt
die Sensordatenverarbeitung und die Regelung bzw. die Steuerung
der Aktoren der Sitzmechanik. Es können alle acht verschiedenen
Varianten der Regelung und Steuerung, wie sie aus den Ausführungsbeispielen der 1 bis 8 beschrieben sind, eingesetzt werden. Die
einzelnen Regler, Stellglieder, Störgrößenaufschaltungen und Entkopplungsnetzwerke
werden wie übrigens
auch in den Ausführungsbeispielen
der 1 bis 8 in einer einstückigen Leistungs-
und Steuerungselektronik CU zusammengefasst.
-
Nicht eigens skizziert ist die Erweiterung
der Sitzmechanik und der Steuerungselektronik auf ein Sitzsystem
mit mehr als zwei Freiheitsgraden. Zwar haben Versuche ergeben,
daß die
beiden Bewegungsfreiheitsgrade Vertikalverstellung und Nickbewegung
des Sitzes die für
den Fahrer subjektiv bedeutsamsten Bewegungen sind, jedoch kann
die hier vorstellte Sitzmechanik z.B. mittels einer Kreuztischanordnung,
auf der die ganze Sitzmechanik angeordnet ist, um zusätzliche
Bewegungsfreiheitsgrade erweitert werden. So daß auch drei und mehr zu regelnde
oder zu steuernde Bewegungsfreiheitsgrade für einen aktiv gefederten Fahrzeugsitz
möglich sind.
Das Steuerungsoder Regelungskonzept wird dann analog den hier vorgestellten
8 verschiedenen Konzepten jeweils um die zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade
erweitert.