DE10306228B4 - Actuator for active chassis control - 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.Actuator for active chassis control, with an arranged between the wheel (6) and structure (3), the rolling and pitching movements compensating, actuator which an actuator torque or Aktuatorkraft for roll and pitch compensation and additionally an actuator torque or Aktuatorkraft to reduce the Aufbauhubbewegung the structure (3) according to the skyhook principle provides such that the vertical wheel movement via a passive damping between the wheel (6) and structure (3) and on the Tilgerwirkung of the mechanical system is reduced, the Tilgerwirkung on an internal damping of the actuator and / or or a spring-loaded Tilgermasse is realized and wherein
the Lehr'sche construction damping measure D Ai at the wheel i between 1.0 and 1.5 and
the Lehr wheel damping ratio D Ri on the wheel i is between 0.05 and 0.1.
Description
Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur aktiven Fahrwerksregelung, insbesondere zur Kompensation der Wank-, Nick- und Hubbewegung des Fahrzeugaufbaus sowie der dynamischen Radlastschwankungen.The The invention relates to an actuator for active chassis control, in particular for compensating the roll, pitch and stroke movement of the Vehicle structure and dynamic wheel load fluctuations.
In
der
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.The torques M roll compensation and M pitch compensation are constantly re-provisioned according to the respective roll and pitch conditions of the vehicle. About the Tilgerwirkung the system, the wheel vibrations are damped, which can be achieved with a simultaneous reduction of the body damping additionally a reduction in body acceleration to 10% compared to a conventional vehicle.
In
den Druckschriften
Die
Druckschrift
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.there no absorber effect is over the self-damping in the actuator or over caused a spring-loaded absorber mass, but over a Hydraulic cylinder in conjunction with a throttle plate.
Eine
federnd gelagerte Tilgermasse in Form eines einfachen Stellgliedes
ist aus
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.task The invention is therefore an actuator for active suspension control to create, in addition to the compensation of roll and pitch movement the vertical body acceleration significantly reduced.
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.This object is achieved with the features of the first claim. In this case, an actuator for active suspension control for the compensation of roll, pitch and stroke movement of the vehicle body is used, to reduce the lifting movement active Skyhook damping is used and the vertical wheel movement via a passive damping between the wheel and body and on Tilgerwirkung the mechanical system is reduced, wherein the Tilgerwirkung is realized by an internal damping of the actuator and / or or a spring-loaded absorber mass and wherein
the Lehr'sche construction damping measure D Ai at the wheel i between 1.0 and 1.5 and
the Lehr wheel damping ratio D Ri on the wheel i is between 0.05 and 0.1.
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 (
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.According to the invention, a compensating gas volume per wheel is integrated into the hydraulic system for free vertical wheel movement with simultaneous action of the actuator torque M actuator , which has a wheel-related vertical stiffness C A, gas i of preferably 2000 to 100000 N / m.
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).The effective Aufbaufedersteifigkeit c Ai results as a parallel circuit of main assembly spring C A, main i and superstructure gas spring of the compensation gas volume c A, gas i according to equation (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.The Tilgereigenfrequenz is preferably tuned to the Tilgerfeder c Ti to 0.7 to 0.9 times the Radeigenfrequenz and selected as Tilgerdämpfungsmaß D Ti is a value of 0.1 to 0.2, wherein the absorber mass is preferably 4 ... 6 kg should.
Im
Gegensatz zur Lösung
nach
- 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
- c Ai [N / m]
- - effective body fatigue constant on the wheel i
- c A, main i [N / m]
- - Construction main spring constant at the wheel i
- c A, gas i [N / m]
- - build-up gas spring constant of the compensation gas volume relative to the wheel on the wheel i
- c Ri [N / m]
- - Tire spring constant on the bike i
- cTi [N / m]
- - Tilgerfederkonstante on the bike i
- D Ai [-]
- -Rehr'sches construction damping measure on the bike i
- D Ri [-]
- - Lehr's wheel damping measure on the bike i
- D Ti [-]
- - Lehr's absorber damping measure on the wheel i
- F D, ges i [N]
- Total damping force between body and wheel i
- F D, passive i [N]
- - passive damping force between body and wheel i
- F D, Sky, active i [N]
- - Active Skyhook damping force on the bike i
- i [-]
- - wheel index
- L red [m]
- - reduced lever arm to convert the Skyhook damper force center wheel to the actuator on the wheel i
- m Ai [kg]
- - Proportional body mass on the bike i
- m Ri [kg]
- - Wheel mass from the wheel i
- m Ti [kg]
- - Tilgermasse on the bike i
- M Sky i [Nm]
- - Skyhook actuator torque on the wheel i
- Ż Ai [m / s]
- - Vertical speed of Federanlenkpunkt the body of the construction on the bike i
- Ż Ri [m / s]
- - vertical speed of the wheel i
- Ż Ti [m / s]
- - vertical speed of the absorber mass on the wheel i
- ρ Ai [Ns / m]
- - Body damping constant on the bike i
- ρ Ri [Ns / m]
- - Raddämpfungskonstante on the bike i
- ρ Ti [Ns / m]
- - absorber damping constant on the wheel 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.In order to determine the vertical body speeds Ż Ai, an acceleration sensor for measuring body acceleration Ż Ai is installed in each spring connection point of the bodywork springs. Via an integration amplifier, the speed Ż Ai is determined from the acceleration Ż Ai and multiplied by the skyhook build-up constant, so that the skyhook damping force F D, sky, active i according to equation (4) results.
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.The calculation of the actuator torque M actuator via the equations 2 to 4 can advantageously take place in a microprocessor. For the built-up damping measure D Ai , a value of 1.0 to 1.5 is preferably selected.
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.The actuator torque M actuator is preset to a hydraulic system as a manipulated variable and converted by an actuator (eg swivel motor) into an effective torque for controlling the mechanical system according to the prior art.
Der
Vorteil gegenüber
dem bekannten System nach
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).Since according to the invention only the Aufbauhubbewegung is attenuated by Skyhook (equations 5 to 7) and the wheel damping passive, the actuator must operate essentially in the built-up frequency range f <2 Hz, so that the power consumption for the Skyhook attenuation is relatively low (P eff < 100 W, P max <1000 W per wheel for luxury class cars).
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 Since the passive vibration damper is mounted for wheel damping between body and wheel, in addition to the wheel movements and the body movements are damped, so that the energy required for the active skyhook damping of the structure is reduced:
According to equation (7), the proportion of the active damping force ρ Ai · Ż Ai is reduced by the passive component of the structural damping ρ Ri · Ż Ai
Simulationsergebnisse
zeigten, dass sich eine erweiterte Skyhook-Dämpfung auf die Radbewegung nicht
bewährt:
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.at the extended Skyhook damping Although the vibration damper saved between body and bike, but for the actuator must be up in the wheel frequency range from 10 to 15 Hz. That means one increased Power requirement for the hydraulic system and leads to noise problems in the vehicle.
Figurencharacters
In
Der
Lenker
Beim
System mit Schwenkmotor
Nach
Die
Berechnung des Aktuatormoments MAktuator nach
den Gleichungen 2...4 erfolgt im Mikroprozessor des Steuergerätes
Der
Betrag des Aktuatormoments |MAktuator i|
wird vom Steuergerät
Das
Wegeventil
Zur
Erhöhung
der Reaktionsgeschwindigkeit ist vor dem Druckregelventil
Das
zurückfließende Hydrauliköl aus dem
Schwenkmotor
Zur
optimalen Steuerung des Fahrverhaltens über die Aktuatormomente MAktuator i werden weitere Fahrzeug-Messgrößen. (z.
B. Querbeschleunigung, Lenkwinkel, Fahrgeschwindigkeit) über Sensoren
Weiterhin
werden Sensoren zur Hydrauliksteuerung
Zur
Ermöglichung
freier vertikaler Radbewegungen bei gleichzeitiger Wirkung des Aktuatormomentes MAktuator i wird ein Ausgleichs-Gasvolumen
In
Aus
der Darstellung in
Für das Tilgerdämpfungsmaß DTi hat sich ein Wert von 0,1 bis 0,2 als vorteilhaft erwiesen.For the absorber damping factor D Ti , a value of 0.1 to 0.2 has proved to be advantageous.
Bei
dem System nach
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