DE10306228B4 - Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung - Google Patents

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Abstract

Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung, mit einem zwischen Rad (6) und Aufbau (3) angeordneten, die Wank- und Nickbewegungen ausgleichenden, Stellglied, welches ein Aktuatormoment oder eine Aktuatorkraft für den Wank- und Nickausgleich und zusätzlich ein Aktuatormoment oder eine Aktuatorkraft zur Verringerung der Aufbauhubbewegung des Aufbaus (3) nach dem Skyhookprinzip bereitstellt derart, dass die vertikale Radbewegung über eine passive Dämpfung zwischen Rad (6) und Aufbau (3) sowie über die Tilgerwirkung des mechanischen Systems, reduziert wird, wobei die Tilgerwirkung über eine Eigendämpfung des Stellgliedes und/oder oder eine federnd gelagerte Tilgermasse realisiert wird und wobei
das Lehr'sche Aufbau-Dämpfungsmaß DAi am Rad i zwischen 1,0 und 1,5 und
das Lehr'sche Rad-Dämpfungsmaß DRi am Rad i zwischen 0,05 und 0,1 liegt.

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 MWankausgleich und MNickausgleich 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.
  • In den Druckschriften DE 43 03 160 A1 und DE 195 21 747 A1 werden Systeme zur Steuerung und/oder Regelung eines Kraftfahrzeugfahrwerks bzw. eine Einrichtung zur Wankstabilisierung und Niveauregelung beschrieben, die bei einem hohen Energiebedarf relativ aufwendige und kostenintensive Lösungen darstellen.
  • Die Druckschrift DE 41 17 897 A1 beschreibt ein aufwendiges System zur Erzeugung von Signalen zur Steuerung oder Regelung eines in seinen Bewegungsabläufen steuerbaren oder regelbaren Fahrwerks. Es werden Signale ermittelt, die die Vertikalbewegung der Karosserie an ausgesuchten Stellen repräsentieren und daraus auf die Hub-, Wank- und Nickbewegungen geschlossen. Danach erfolgt eine Gewichtung dieser Bewegungen und anschließen werden die Ansteuersignale für die Aktuatoren ermittelt.
  • Dabei wird keine Tilgerwirkung über die Eigendämpfung im Stellglied oder über eine federnd gelagerte Tilgermasse hervorgerufen, sondern über einen Hydraulikzylinder in Verbindung mit einem Drosselteller.
  • Eine federnd gelagerte Tilgermasse in Form eines einfachen Stellgliedes ist aus DE 100 43 711 A1 und DE 199 58 178 C1 bekannt. Diese Lösungen arbeiten nicht nach dem Skyhookprinzip und kompensieren nur ungenügend die Aufbaubescheunigungen des Fahrzeuges.
  • 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 und die vertikale Radbewegung über eine passive Dämpfung zwischen Rad und Aufbau sowie über die Tilgerwirkung des mechanischen Systems reduziert wird, wobei die Tilgerwirkung über eine Eigendämpfung des Stellgliedes und/oder oder eine federnd gelagerte Tilgermasse realisiert wird und wobei
    das Lehr'sche Aufbau-Dämpfungsmaß DAi am Rad i zwischen 1,0 und 1,5 und
    das Lehr'sche Rad-Dämpfungsmaß DRi am Rad i zwischen 0,05 und 0,1 liegt.
  • Das Stellglied zwischen Aufbau und Rad stellt zusätzlich zu den Aktuator-Drehmomenten für den Wank- und Nickausgleich ein Aktuatormoment MSky i für die Verringerung der Aufbauhubbwegung bereit (s. Gleichung 2). 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 MAktuator i ein Ausgleichs-Gasvolumen pro Rad in das Hydraulik-System integriert, welches eine auf das Rad bezogene vertikale Steifigkeit CA,Gas i von vorzugsweise 2000 bis 100000 N/m besitzt.
  • Die wirksame Aufbaufedersteifigkeit cAi ergibt sich als Parallel-Schaltung von Aufbau-Hauptfeder CA,Haupt i und Aufbau-Gasfeder des Ausgleichs-Gasvolumens cA,Gas i nach Gleichung (11).
  • Die Tilgereigenfrequenz wird vorzugsweise über die Tilgerfeder cTi auf das 0,7 bis 0,9 fache der Radeigenfrequenz abgestimmt und als Tilgerdämpfungsmaß DTi 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 MSky i bereitgestellt. Das heißt, die Gleichung (1) ändert sich wie folgt: MAktuator i = MWankausgleich i + MNickausgleich i + MSky i (2) MSky i = Lred i· FD,Sky,aktiv i (3) FD,Sky,aktiv i = –ρAi·ŻAi (4) FD,passiv i = –ρRi·ŻAi + ρRi·ŻRi (5) FD,ges i = FD,Sky,aktiv i + FD,passiv i (6)
    Figure 00040001
    CAi = CA,Haupt i + CA,Gas i (11)
    • cAi [N/m]
    – wirksame Aufbaufederkonstante am Rad i
    cA,Haupt i [N/m]
    – Aufbau-Hauptfederkonstante am Rad i
    cA,Gas i [N/m]
    – Aufbau-Gasfederkonstante vom Ausgleichs-Gasvolumen bezogen auf das Rad am Rad i
    cRi [N/m]
    – Reifenfederkonstante am Rad i
    cTi [N/m]
    – Tilgerfederkonstante am Rad i
    DAi [–]
    –Lehr'sches Aufbau-Dämpfungsmaß am Rad i
    DRi [–]
    – Lehr'sches Rad-Dämpfungsmaß am Rad i
    DTi [–]
    – Lehr'sches Tilger-Dämpfungsmaß am Rad i
    FD,ges i[N]
    –Gesamt-Dämpfkraft zwischen Aufbau und Rad i
    FD,passiv i [N]
    – passive Dämpfkraft zwischen Aufbau und Rad i
    FD,Sky,aktiv i [N]
    – aktive Skyhook–Dämpfkraft am Rad i
    i [–]
    – Radindex
    Lred [m]
    – reduzierter Hebelarm zur Umrechnung der Skyhook-Dämpferkraft Mitte Rad zum Aktuator am Rad i
    mAi [kg]
    – anteilige Aufbaumasse am Rad i
    mRi [kg]
    – Radmasse vom Rad i
    mTi [kg]
    – Tilgermasse am Rad i
    MSky i [Nm]
    – Skyhook-Aktuatormoment am Rad i
    ŻAi [m/s]
    – Vertikalgeschwindigkeit vom Federanlenkpunkt der Aufbaufeder am Aufbau am Rad i
    ŻRi [m/s]
    – Vertikalgeschwindigkeit vom Rad i
    ŻTi [m/s]
    – Vertikalgeschwindigkeit von der Tilgermasse am Rad i
    ρAi [Ns/m]
    – Aufbaudämpfungskonstante am Rad i
    ρRi [Ns/m]
    – Raddämpfungskonstante am Rad i
    ρTi [Ns/m]
    – Tilgerdämpfungskonstante am Rad i
  • Zur Ermittlung der vertikalen Aufbaugeschwindigkeiten ŻAi wird in jedem Federanlenkpunkt der Aufbaufedern am Aufbau ein Beschleunigungssensor zur Messung der Aufbaubeschleunigung ŻAi angebracht. Über einen Integrationsverstärker wird aus der Beschleunigung ŻAi die Geschwindigkeit ŻAi ermittelt und mit der Skyhook-Aufbaudämpfungskonstante multipliziert, so dass sich die Skyhook-Dämpfungskraft FD,sky,aktiv i nach Gleichung (4) ergibt.
  • Die Berechnung des Aktuatormoments MAktuator über die Gleichungen 2 bis 4 kann Vorteilhafterweise in einem Mikroprozessor erfolgen. Für das Aufbaudämpfungsmaß DAi wird vorzugsweise ein Wert von 1,0 bis 1,5 gewählt.
  • Das Aktuatormoment MAktuator 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 (Peff < 100 W, Pmax < 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 ρAi·ŻAi durch den passiven Anteil der Aufbaudämpfung ρRi·ŻAi
  • Simulationsergebnisse zeigten, dass sich eine erweiterte Skyhook-Dämpfung auf die Radbewegung nicht bewährt: FD,Sky,aktiv i = –ρAi·ŻAi + ρRi·ŻRi (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 ŻAi im Federanlenkpunkt 12 der Aufbaufeder 11 am Aufbau 3 ein Beschleunigungssensor 13 angebracht. Im Steuergerät 14 wird mittels Integration aus der Beschleunigung ŻAi die Geschwindigkeit ŻAi ermittelt und mit der Skyhook-Aufbaudämpfungskonstante multipliziert, so dass sich die Skyhook-Dämpfungskraft FD,Sky,aktiv i nach Gleichung (4) ergibt.
  • Die Berechnung des Aktuatormoments MAktuator nach den Gleichungen 2...4 erfolgt im Mikroprozessor des Steuergerätes 14, wobei für das Aufbaudämpfungsmaß vorzugsweise ein Wert von DAi = 1,0... 1,5 zu wählen ist.
  • Der Betrag des Aktuatormoments |MAktuator 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 MAktuator 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 MAktuator 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 MAktuator 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 cA,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 mTi 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 DTi 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 (7)

  1. Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung, mit einem zwischen Rad (6) und Aufbau (3) angeordneten, die Wank- und Nickbewegungen ausgleichenden, Stellglied, welches ein Aktuatormoment oder eine Aktuatorkraft für den Wank- und Nickausgleich und zusätzlich ein Aktuatormoment oder eine Aktuatorkraft zur Verringerung der Aufbauhubbewegung des Aufbaus (3) nach dem Skyhookprinzip bereitstellt derart, dass die vertikale Radbewegung über eine passive Dämpfung zwischen Rad (6) und Aufbau (3) sowie über die Tilgerwirkung des mechanischen Systems, reduziert wird, wobei die Tilgerwirkung über eine Eigendämpfung des Stellgliedes und/oder oder eine federnd gelagerte Tilgermasse realisiert wird und wobei das Lehr'sche Aufbau-Dämpfungsmaß DAi am Rad i zwischen 1,0 und 1,5 und das Lehr'sche Rad-Dämpfungsmaß DRi am Rad i zwischen 0,05 und 0,1 liegt.
  2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied als Schwenkmotor (1) oder als Hydraulikzylinder (24) ausgebildet ist.
  3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die passive Raddämpfung entweder über die Eigendämpfung im Schwenkmotor (1) oder über einen zusätzlichen Dämpfer erfolgt.
  4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigendämpfung im Schwenkmotor (1) über gezielte Drosselstellen entsprechend der geforderten Raddämpfung DRi angepasst wird.
  5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur freien vertikalen Radbewegung bei gleichzeitiger Wirkung des Aktuatormomentes MAktuator i ein Ausgleichs-Gasvolumen (17) pro Rad in das Hydraulik-System integriert wird, welches eine auf das Rad (6) bezogene vertikale Steifigkeit cA,Gas i von 2000 bis 100000 N/m besitzt.
  6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wirksame Aufbaufedersteifigkeit CAi aus der Parallel-Schaltung von Aufbau-Hauptfeder CA,Haupt i (11) und Aufbau-Gasfeder des Ausgleichs-Gasvolumens CA,Gas i (17) ergibt.
  7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgereigenfrequenz bei einer Tilgermasse von 4...6 kg über die Tilgerfeder cTi (7) auf das 0,7 bis 0,9 fache der Radeigenfrequenz abgestimmt wird und das Tilgerdämpfungsmaß DTi von 0,1 bis 0,2 beträgt.
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