DE10306228A1

DE10306228A1 - Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung

Info

Publication number: DE10306228A1
Application number: DE2003106228
Authority: DE
Inventors: Christian Prof. Dr.-Ing. Voy; Jürgen Dipl.-Ing. Schulze; Wolfgang Dr.-Ing. Freund
Original assignee: Sachsenring Fahrzeugtechnik GmbH
Current assignee: Asturia Automotive Systems AG
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: DE10306228B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung, insbesondere zur Kompensation der Wank-, Nick- und Hubbewegung des Fahrzeugaufbaus sowie der dynamischen Radlastschwankungen. DOLLAR A Der Aktuator ist mit einem zwischen Rad und Aufbau angeordneten, die Wank- und Nickbewegungen ausgleichenden Stellglied versehen, welches zusätzlich die Hubbewegung des Fahrzeugaufbaus nach dem Skyhookprinzip verringert. DOLLAR A Dabei ist das Stellglied als Schwenkmotor ausgebildet und stellt zwischen Rad und Aufbau zusätzlich zum Aktuatormoment für den Wank- und Nickausgleich ein Aktuatormoment zur Verringerung der Aufbauhubbewegung bereit.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung, insbesondere zur Kompensation der Wank-, Nick- und Hubbewegung des Fahrzeugaufbaus sowie der dynamischen Radlastschwankungen.
In der DE 100 43 711 A1 ist ein Hydrauliksystem für ein aktives Fahrwerk beschrieben, welches im wesentlichen zum Wank- und Nickausgleich sowie zur Tilgung der Radschwingungen dient. Das Aktuator-Drehmoment dieses Systems ergibt sich dabei nach: MAktuator = MWankausgleich + MNickausgleich (1)
Die Drehmomente M_{Wankausgleich} und M_{Nickausgleich} werden entsprechend dem jeweiligen Wank- und Nickzustand des Fahrzeuges ständig neu bereitgestellt. Über die Tilgerwirkung des Systems werden die Radschwingungen gedämpft, womit bei gleichzeitiger Verringerung der Aufbaudämpfung zusätzlich eine Verringerung der Aufbaubeschleunigung bis 10% gegenüber einem konventionellen Fahrzeug erreicht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung zu schaffen, der neben der Kompensation der Wank- und Nickbewegung die vertikale Aufbaubeschleunigung wesentlich verringert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Dabei wird ein Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung für die Kompensation der Wank-, Nick- und Hubbewegung des Fahrzeugaufbaus eingesetzt, wobei zur Verringerung der Hubbewegung eine aktive Skyhook-Dämpfung verwendet wird. Das Stellglied zwischen Aufbau und Rad stellt zusätzlich zu den Aktuator-Drehmomenten für den Wank- und Nickausgleich ein Aktuatormoment M_Skyi für die Verringerung der Aufbauhubbwegung bereit (s. Gleichung 2).
Die vertikale Radbewegung wird erfindungsgemäß über eine passive Dämpfung zwischen Rad und Aufbau sowie über die Tilgerwirkung des mechanischen Systems gedämpft, wobei die Dämpferauslegung für den Dämpfer zwischen Rad und Aufbau vorzugsweise mit einem Dämpfungsmaß D_Ri von 0,05 bis 0,1 erfolgt. Auf einen separaten Dämpfer zwischen Rad und Aufbau kann verzichtet werden, wenn die passive Raddämpfung über die Eigendämpfung im Schwenkmotor (1) (z.B. gezielter Einbau von Drosselstellen) realisiert wird. Das ist möglich, weil die vertikale Radbewegung mit der Drehbewegung des Schwenkmotor-Rotors gekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird zur freien vertikalen Radbewegung bei gleichzeitiger Wirkung des Aktuatormomentes M_Aktuator _i ein Ausgleichs-Gasvolumen pro Rad in das Hydraulik-System integriert, welches eine auf das Rad bezogene vertikale Steifigkeit c_A,Gas _i von vorzugsweise 2000 bis 100000 N/m besitzt.
Die wirksame Aufbaufedersteifigkeit c_Ai ergibt sich als Parallel-Schaltung von Aufbau-Hauptfeder C_{A,Haupt i} und Aufbau-Gasfeder des Ausgleichs-Gasvolumens C_A,Gas _i nach Gleichung (11).
Die Tilgereigenfrequenz wird vorzugsweise über die Tilgerfeder c_Ti auf das 0,7 bis 0,9 fache der Radeigenfrequenz abgestimmt und als Tilgerdämpfungsmaß D_Ti ein Wert von 0,1 bis 0,2 gewählt, wobei die Tilgermasse vorzugsweise 4...6 kg betragen sollte.
Im Gegensatz zur Lösung nach DE 100 43 711 A1 wird statt der passiven Dämpfung der Aufbauhubbewegung eine aktive Skyhook-Dämpfung verwendet und als zusätzliches Aktuatormoment M_Skyi bereitgestellt. Das heißt, die Gleichung (1) ändert sich wie folgt: MAktuatori = MWankausgleich i + MNickausgleich i + MSky i (2) MSky i = Lred i.FD,Sky,aktiv i (3) FD,Sky,aktiv i = –ρAi·Z . Ai (4) FD,passiv i = –ρRi·Z . Ai + ρRi·Z . Ri (5) FD,ges i = FD,Sky,aktiv i + FD,passiv i (6)
cAi = cA,Haupt i + cA,Gas i (11) c_Ai[N/m] – wirksame Aufbaufederkonstante am Rad i
c_{A,Haupt i}[N/m] – Aufbau-Hauptfederkonstante am Rad i
c_{A,Gas i}[N/m] – Aufbau-Gasfederkonstante vom Ausgleichs-Gasvolumen bezogen auf das Rad am Rad i
c_Ri[N/m] – Reifenfederkonstante am Rad i
c_Ti[N/m] – Tilgerfederkonstante am Rad i
D_Ai[–] – Lehr'sches Aufbau-Dämpfungsmaß am Rad i
D_Ri[–] – Lehr'sches Rad-Dämpfungsmaß am Rad i
D_Ti[–] – Lehr'sches Tilger-Dämpfungsmaß am Rad i
F_D,ges
i[N] – Gesamt-Dämpfkraft zwischen Aufbau und Rad i
F_{D, passiv i}[N] – passive Dämpfkraft zwischen Aufbau und Rad i
F_D _, _{Sky,aktiv i}[N] – aktive Skyhook-Dämpfkraft am Rad i
i [-] – Radindex
L_red[m] – reduzierter Hebelarm zur Umrechnung der Skyhook-Dämpferkraft Mitte Rad zum Aktuator am Rad i
m_Ai[kg] – anteilige Aufbaumasse am Rad i
m_Ri[kg] – Radmasse vom Rad i
m_Ti[kg] – Tilgermasse am Rad i
M_Skyi[Nm] – Skyhook-Aktuatormoment am Rad i
Z . _Ai[m/s] – Vertikalgeschwindigkeit vom Federanlenkpunkt der Aufbaufeder am Aufbau am Rad i
Z . _Ri [m/s] – Vertikalgeschwindigkeit vom Rad i
Z . _Ti[m/s] – Vertikalgeschwindigkeit von der Tilgermasse am Rad i
ρ_Ai[Ns/m] – Aufbaudämpfungskonstante am Rad i
ρ_Ri[Ns/m] – Raddämpfungskonstante am Rad i
ρ_Ti[Ns/m] – Tilgerdämpfungskonstante am Rad i
Zur Ermittlung der vertikalen Aufbaugeschwindigkeiten Z . _Ai wird in jedem Federanlenkpunkt der Aufbaufedern am Aufbau ein Beschleunigungssensor zur Messung der Aufbaubeschleunigung Z . _Ai angebracht. Über einen Integrationsverstärker wird aus der Beschleunigung Z . _Ai die Geschwindigkeit Z . _Ai ermittelt und mit der Skyhook-Aufbaudämpfungskonstante multipliziert, so dass sich die Skyhook-Dämpfungskraft F_{D,Sky,aktiv
i} nach Gleichung (4) ergibt.
Die Berechnung des Aktuatormoments M_Aktuator über die Gleichungen 2 bis 4 kann Vorteilhafterweise in einem Mikroprozessor erfolgen. Für das Aufbaudämpfungsmaß D_Ai wird vorzugsweise ein Wert von 1,0 bis 1,5 gewählt.
Das Aktuatormoment M_Aktuator wird einem Hydrauliksystem als Stellgröße vorgegeben und von einem Stellglied (z.B. Schwenkmotor) in ein wirksames Drehmoment zur Steuerung des mechanischen Systems gemäß dem Stand der Technik umgesetzt.
Der Vorteil gegenüber dem bekannten System nach DE 100 43 711 A1 besteht in einer wesentlichen Verbesserung des vertikalen Schwingungskomforts. Mittels Dynamiksimulation wurden Verringerungen der effektiven Aufbaubeschleunigung von mehr als 50% gegenüber einem konventionellen Fahrzeug ermittelt.
Da erfindungsgemäß nur die Aufbauhubbewegung mittels Skyhook gedämpft wird (Gleichungen 5 bis 7) und die Raddämpfung passiv erfolgt, muss der Aktuator im wesentlichen im Aufbaufrequenzbereich f < 2 Hz arbeiten, so dass der Leistungsbedarf für die Skyhook-Dämpfung relativ gering ist (P_eff < 100 W, P_max < 1000 W pro Rad für Oberklasse-Pkw).
Da der passive Schwingungsdämpfer für die Raddämpfung zwischen Aufbau und Rad befestigt ist, werden neben den Radbewegungen auch die Aufbaubewegungen gedämpft, so dass sich der Energiebedarf für die aktive Skyhookdämpfung des Aufbaus verringert:
Nach Gleichung (7) reduziert sich der Anteil der aktiven Dämpfkraft ρ_A _i·Z . _Ai durch den passiven Anteil der Aufbaudämpfung ρ_Ri·Z . _Ai.
Simulationsergebnisse zeigten, dass sich eine erweiterte Skyhook-Dämpfung auf die Radbewegung nicht bewährt: FD,Sky,aktiv i = –ρAi·Z . Ai + ρRi·Z . Ai zz . (12)
Bei der erweiterten Skyhook-Dämpfung wird zwar der Schwingungsdämpfer zwischen Aufbau und Rad eingespart, aber dafür muss der Aktuator bis in den Radfrequenzbereich von 10 bis 15 Hz arbeiten. Das bedeutet einen erhöhten Leistungsbedarf für das Hydrauliksystem und führt zu Geräuschproblemen im Fahrzeug.
Figuren
1: Darstellung eines Systems mit Schwenkmotor als Aktuator
2: Darstellung eines Hydraulikplans für ein System mit Schwenkmotor als Aktuator
3: Darstellung eines Systems mit Hydraulikzylinder als Aktuator
In 1 wird ein Stellelement in Form eines Schwenkmotors 1 als Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung verwendet. Der Schwenkmotor 1 ist am Lenker 5 über die Tilgerarme 8 und 9 befestigt. Am Rotor des Schwenkmotors 1 ist der Hebel 4 befestigt, der das Aktuatormoment über den Schwenkhebel 2 im Gelenkpunkt D2 am Aufbau 3 abstützt.
Der Lenker 5 ist bekannter Weise einerseits am Rad 6 und andererseits am Aufbau 3 angelenkt. Der Schwenkmotor 1 wirkt durch eine federnde Lagerung mit einer Tilgerfeder 7 zugleich als Tilgermasse. Dazu ist der Schwenkmotor 1 über ein Gelenkviereck am Lenker 5 befestigt. Das Gelenkviereck wird durch zwei übereinander angeordnete im wesentlichen zueinander parallele Tilgerarme 8, 9, die sowohl am Schwenkmotor 1 als auch am Lenker 5 (dort in den Gelenkpunkten D3 und D4) schwenkbar befestigt sind. Zwischen dem Schwenkmotor 1 und dem Lenker 5 sind dabei die Tilgerfeder 7 und der Tilgerdämpfer 7a angeordnet.
Beim System mit Schwenkmotor 1 nach 1 und 2 setzt sich die Tilgermasse aus dem Schwenkmotor 1 und den anteiligen Massen der Lenker 2, 4, 8 und 9 zusammen.
Nach 1 und 2 wird zur Ermittlung der vertikalen Aufbaugeschwindigkeiten Z . _Ai im Federanlenkpunkt 12 der Aufbaufeder 11 am Aufbau 3 ein Beschleunigungssensor 13 angebracht. Im Steuergerät 14 wird mittels Integration aus der Beschleunigung Z . _Ai die Geschwindigkeit Z . _Ai ermittelt und mit der Skyhook-Aufbaudämpfungskonstante multipliziert, so dass sich die Skyhook-Dämpfungskraft F_{D,Sky,aktiv
i} nach Gleichung (4) ergibt.
Die Berechnung des Aktuatormoments M_Aktuator nach den Gleichungen 2...4 erfolgt im Mikroprozessor des Steuergerätes 14, wobei für das Aufbaudämpfungsmaß vorzugsweise ein Wert von D_Ai = 1,0...1,5 zu wählen ist.
Der Betrag des Aktuatormoments |M_{Aktuator i}| wird vom Steuergerät 14 einem hydraulischen Druckregelventil 15 als Stellgröße vorgegeben und über ein Wegeventil 16 vom Schwenkmotor 1 in ein wirksames Drehmoment zur Steuerung des mechanischen Systems umgesetzt.
Das Wegeventil 16 wird in Abhängigkeit des Vorzeichens vom Aktuatormoment M_{Aktuator i} über das Steuergerät 14 gesteuert, womit der Schwenkmotor 1 die gewünschten Momente für das Ein- und Ausfedern der Radaufhängung erzeugt.
Zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit ist vor dem Druckregelventil 15 ein Hydrospeicher 18 vorgesehen, welcher in Verbindung mit dem Druckbegrenzungsventil 19 immer für eine ausreichende Fördermenge mit hohem Druck sorgt.
Das zurückfließende Hydrauliköl aus dem Schwenkmotor 1 und aus dem Druckregelventil 15 wird in dem Behälter 20 aufgefangen und der Hydropumpe 21 zur Verfügung gestellt. Zur optimalen Steuerung des Fahrverhaltens über die Aktuatormomente M_{Aktuator i} werden weitere Fahrzeug-Messgrößen (z.B. Querbeschleunigung, Lenkwinkel, Fahrgeschwindigkeit) über Sensoren 22 im Steuergerät 14 ausgewertet.
Weiterhin werden Sensoren zur Hydrauliksteuerung 23, beispielsweise Drucksensoren, Schalterkennungssensoren, Ölstandssensor, im Steuergerät ausgewertet und als Steuerimpulse für die Hydraulik-Komponenten ausgegeben.
Zur Ermöglichung freier vertikaler Radbewegungen bei gleichzeitiger Wirkung des Aktuatormomentes M_{Aktuator i} wird ein Ausgleichs-Gasvolumen 17 pro Rad in Form eines Speichers in das Hydraulik-System integriert, welches vorzugsweise eine auf das Rad bezogene vertikale Steifigkeit c_{A,Gas i} von 2000 bis 100000 N/m besitzt.
In 3 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Aktuators dargestellt, in dem als Stellelement anstatt eines Schwenkmotors 1 ein Hydraulik-Hubzylinder 24 verwendet wird.
Aus der Darstellung in 3 ist auch die prinzipielle Wirkungsweise des Skyhook-Prinzips ersichtlich, welches dem System mit Schwenkmotor nach 1 und 2 entspricht. Die Tilgermasse m_Ti 25 hat vorzugsweise ein Gewicht von 4 bis 6 kg. Die Tilgereigenfrequenz ist über die Tilgerfeder 7 auf das 0,7 bis 0,9 fache der Radeigenfrequenz abgestimmt.
Für das Tilgerdämpfungsmaß D_Ti hat sich ein Wert von 0,1 bis 0,2 als vorteilhaft erwiesen.
Bei dem System nach 3 ist es auch möglich auf den Einsatz eines Tilgers zur zusätzlichen Dämpfung der Radschwingungen zu verzichten, womit sich allerdings die Komfortverbesserungen gegenüber einem System mit Tilger reduzieren (nach Simulationsergebnissen um mehr als 10%).

Claims

Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung, mit einem zwischen Rad (6) und Aufbau (3) angeordneten, die Wank- und Nickbewegungen ausgleichenden, Stellglied, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied zusätzlich die Hubbewegung des Fahrzeugaufbaus nach dem Skyhookprinzip verringert.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied als Schwenkmotor (1) ausgebildet ist und zwischen Rad (6) und Aufbau (3) zusätzlich zum Aktuatormoment für den Wank- und Nickausgleich ein Aktuatormoment zur Verringerung der Aufbauhubbewegung bereitstellt.
Aktuator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Radbewegung über eine passive Dämpfung zwischen Rad (6) und Aufbau (3) sowie über die Tilgerwirkung des mechanischen Systems gedämpft wird.
Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferauslegung mit einem Dämpfungsmaß D_Ri von 0,05 bis 0,1 erfolgt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Raddämpfung entweder über die Eigendämpfung im Schwenkmotor (1) oder über einen zusätzlichen Dämpfer erfolgt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigendämpfung im Schwenkmotor (1) über gezielte Drosselstellen entsprechend der geforderten Raddämpfung D_Ri von 0,05 bis 0,1 angepasst wird.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbaudämpfungsmaß D_Ai 1,0 bis 1,5 beträgt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur freien vertikalen Radbewegung bei gleichzeitiger Wirkung des Aktuatormomentes M_{Aktuator i} ein Ausgleichs-Gasvolumen (17) pro Rad in das Hydraulik-System integriert wird, welches eine auf das Rad (6) bezogene vertikale Steifigkeit C_{A,Gas i} von 2000 bis 100000 N/m besitzt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wirksame Aufbaufedersteifigkeit c_Ai aus der Parallel-Schaltung von Aufbau-Hauptfeder c_A,Haupt
i (11) und Aufbau-Gasfeder des Ausgleichs-Gasvolumens C_{A,Gas i} (17) ergibt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgereigenfrequenz bei einer Tilgermasse von 4...6 kg über die Tilgerfeder c_Ti (7) auf das 0,7 bis 0,9 fache der Radeigenfrequenz abgestimmt wird und das Tilgerdämpfungsmaß D_Ti von 0,1 bis 0,2 beträgt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt des Schwenkmotores (1) ein Hydraulik-Hubzylinder (24) als Stellglied verwendet wird.
Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen zusätzlichen Tilger (7, 7a und 25) verzichtet wird.