DE10360213A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung von Antriebsstrangsschwingungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen (S) der Räder (2) eines Fahrzeugs (1), die vom Antriebsstrang (4, 5, 7) des Fahrzeugs (1) erzeugt werden. Die Radschwingungen (S) können besonders einfach und wirksam gedämpft werden, wenn eine die Schwingung (S) beschreibende Größe (phi, A, T) für wenigstens ein Rad (2) ermittelt und die Radbremse (3) in Abhängigkeit von der ermittelten Größe betätigt wird, um die Schwingung (S) zu dämpfen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen von Radschwingungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
• Der Antriebsstrang moderner Fahrzeuge ist in Bezug auf Gewicht und Materialeinsatz so weit optimiert, dass die Verbindung zwischen Motor und Rad immer torsionsweicher ausgelegt wird. Der Antriebsstrang wirkt daher physikalisch gesehen wie eine Torsionsfeder, die zusammen mit den Radträgheitsmomenten näherungsweise ein schwingungsfähiges System mit geringer Dämpfung darstellt. Diese mechanische Auslegung des Antriebsstrangs begünstigt in zunehmendem Maße Schwingungen im Geschwindigkeitsverlauf (d.h. der Rotationsgeschwindigkeit) der angetriebenen Räder.
• Darüber hinaus kann auch die Lagerung des Fahrzeugmotors derartige Radschwingungen begünstigen. Zusammen mit der Antriebswelle und seinem eigenen Trägheitsmoment wirkt der Motor als schwingungsfähiges System, das sich an den Antriebsrädern bemerkbar macht und zu Radschwingungen führt.
• Die Radschwingungen können vom Fahrer wahrgenommen werden und wirken auf den Fahrer irritierend. Des weiteren stellen diese Schwingungen eine erhebliche Belastung der mechanischen Antriebsstrangkomponenten dar.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit der derartige Radschwingungen gedämpft bzw. beseitigt werden können.
• Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 10 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, wenigstens eine die Schwingung beschreibende Größe zu messen und die Schwingung mittels eines (oder mehrerer) kurzfristigen Bremseneingriffs, der der Schwingung entgegenwirkt, zu dämpfen. Jeder Bremseingriff ist dabei kürzer als eine Periode der Schwingung. Durch die Dämpfung der Schwingung wird außerdem die mechanische Belastung der Antriebsstrangkomponenten wesentlich verringert.
• Ein kritischer Punkt ist hierbei, den Bremseneingriff zeitlich derart anzusetzen, dass die Schwingung gedämpft und nicht etwa zusätzlich angeregt wird. Vorzugsweise wird daher wenigstens die Phasenlage der Schwingung ermittelt, um den Bremseneingriff auf die Phasenlage der Schwingung abstimmen zu können.
• Die Radgeschwindigkeiten werden vorzugsweise mittels Drehzahlsensoren gemessen und daraus die jeweils gewünschten Schwingungsparameter, wie z.B. die Amplitude oder Phasenlage, ermittelt. Die Phasenlage der Schwingung lässt sich z.B. unter Berücksichtigung der Periodendauer bzw. Schwingungsfrequenz der Schwingung aus der Zeit bestimmen, die seit dem Auftreten des letzten Umkehrpunktes oder Nulldurchgangs der Schwingung vergangen ist.
• Neben der Phasenlage wird vorzugsweise auch wenigstens ein anderer Schwingungsparameter, wie z.B. die Amplitude der Schwingung, ermittelt. Unter Berücksichtigung der Schwingungsamplitude kann die Stärke und Dauer des Bremseneingriffs auf die jeweilige Stärke der Schwingung angepasst werden. Kleinen Schwingungen kann somit mit kleinen Bremsdruckänderungen und großen Schwingungen mit größeren Bremsdruckänderungen entgegengewirkt werden.
• Zur Dämpfung einer Radschwingung werden vorzugsweise mehrere Bremseneingriffe kurz hintereinander durchgeführt. Die Bremseneingriffe werden vorzugsweise frühestens jede zweite Periode der Schwingung durchgeführt, da stets mindestens eine Periode benötigt wird, um die Wirkung des vorherigen Bremseneingriffs abzuwarten und gegebenenfalls veränderte Parameter der Schwingung für den nächsten Bremseneingriff neu zu bestimmen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens ein Schwingungsparameter, insbesondere die Phasenlage, die Amplitude oder die Periodendauer, der Schwingung messtechnisch ermittelt. Ein Steuergerät, in dem ein Dämpfungsalgorithmus hinterlegt ist, erzeugt in Abhängigkeit von dem bzw. den ermittelten Parametern ein Dämpfungssignal, wie z.B. einen Dämpfungsimpuls, das an das Bremssystem übertragen wird. Das Bremssystem setzt die Stellanforderung in einen entsprechenden Bremseneingriff um.
• Bei der Ansteuerung des Bremssystems muss insbesondere berücksichtigt werden, dass das Bremssystem eine gewisse Ansprechzeit benötigt, um eine Stellanforderung des Steuergeräts in eine Bremsdruckänderung umzusetzen. Diese Verzögerung beruht bei bekannten hydraulischen Bremssystemen insbesondere auf dem Hochlaufen der Hydraulikpumpe und dem Befüllen der Bremse mit Bremsflüssigkeit. Das Dämpfungssignal muss daher eine vorgegebene Zeit vor dem Zeitpunkt, zu dem die Bremse ihre dämpfende Wirkung entfalten soll, ausgegeben werden. Die Vorlaufzeit ist abhängig vom System entsprechend zu berücksichtigen.
• Die erfindungsgemäßen Bremseneingriffe werden vorzugsweise für jedes Rad radindividuell durchgeführt. Schwingen mehrere Räder gleichphasig, wie dies insbesondere bei den eingangs beschriebenen Schwingungen beider Antriebsräder in Verbindung mit dem Motor vorkommen kann, werden die Bremseneingriffe vorzugsweise an beiden Antriebsrädern synchron durchgeführt. Das Steuergerät gibt in diesem Fall gleichzeitig Dämpfungssignale für das rechte und linke angetriebene Rad an das Bremssystem aus.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dämpfen von Radschwingungen an den Rädern eines Fahrzeugs umfasst eine Sensorik zum Messen wenigstens eines Schwingungsparameters der Radschwingung, ein Steuergerät, in dem ein Dämpfungsalgorithmus hinterlegt ist, der in Abhängigkeit von der gemessenen Größe (z.B. der Phasenlage, der Amplitude und/oder der Periodendauer der Schwingung) ein Dämpfungssignal erzeugt, mit dem ein Bremssystem angesteuert wird, sowie das Bremssystem, das mittels einer Radbremse an wenigstens einem schwingenden Rad einen entsprechenden Bremseneingriff durchführt.
• Das erfindungsgemäße Dämpfungssystem nutzt vorzugsweise ein bereits im Fahrzeug vorhandenes Bremssystem, wie z.B. das Hydrauliksystem eines Fahrdynamikregelungssystems (z.B. ESP oder ASR).
• Im übrigen ist das erfindungsgemäße Dämpfungssystem vorzugsweise derart konfiguriert, dass die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt werden können.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem System zur Dämpfung von Radschwingungen an den angetriebenen Rädern;
• 2 verschiedene Signalverläufe, die bei einer Dämpfung von Radschwingungen von Bedeutung sind.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einem Dämpfungssystem zum Dämpfen von Radschwingungen. Das Dämpfungssystem umfasst im wesentlichen ein Steuergerät 9, in dem ein Dämpfungsalgorithmus hinterlegt ist, eine Sensorik 8 zum Messen von Schwingungsgrößen an den angetriebenen Rädern 2a, 2b, sowie ein Bremssystem 3, 10, mit dem die Radschwingungen durch Bremseneingriffe gedämpft bzw. beseitigt werden.
• Bei modernen Fahrzeugen bildet der Antriebsstrang 4, 5, 7 zusammen mit den Rädern 2a, 2b ein schwingungsfähiges System, das – häufig unter Beteiligung des Motors – an den Rädern 2a, 2b Eigenschwingungen verursacht. D.h., die Radgeschwindigkeit (Drehzahl) der Räder 2a, 2b ist nicht konstant, sondern schwingt um einen Mittelwert MW, wie es in 2 oben dargestellt ist. Die Schwingung der Radgeschwindigkeit ist dabei mit dem Bezugszeichen S bezeichnet. Eine derartige Schwingung beeinträchtigt insbesondere den Fahrkomfort und stellt darüber hinaus eine erhebliche Belastung für die mechanischen Antriebsstrangkomponenten, insbesondere die Seitenwellen 4, das Differential 7 und die Antriebswelle 5, dar.
• Um die Radschwingungen zu dämpfen, wird zunächst die Schwingungsfrequenz bzw. Periodendauer T, die Amplitude A und/oder die Phasenlage φ der Schwingung S ermittelt. Das Steuergerät 9 erzeugt dann in Abhängigkeit von den Schwingungsparametern einen Dämpfungsimpuls D und gibt diesen an das Bremssystem 3, 10 aus. Der Dämpfungsimpuls D (siehe 2) wird schließlich vom Bremssystem 3, 10 in eine entsprechende Bremsdruckerhöhung p umgesetzt. Der Dämpfungsimpuls D ist zeitlich und größenmäßig derart bemessen, dass die gewünschte Dämpfungswirkung eintritt.
• Zur Bestimmung der Schwingungsparameter φ, A, T umfasst das Dämpfungssystem Drehzahlsensoren 8a, 8b, mit denen die Radgeschwindigkeit bzw. Drehzahl n radindividuell bestimmt werden kann. Die Sensorsignale werden einem Steuergerät 9 zugeführt, das die gewünschten Schwingungsparameter ermittelt.
• Die Frequenz bzw. Periodendauer T der Radschwingungen lässt sich z.B. aus der Zeitdifferenz aufeinanderfolgender Extrema oder Nulldurchgänge der Schwingung S bestimmen.
• Die Phasenlage φ der Schwingung S kann unter Berücksichtigung der Periodendauer T z.B. aus der Zeit bestimmt werden, die seit dem Auftreten des letzten Umkehrpunktes oder des letzten Nulldurchgangs vergangen ist.
• Mit Kenntnis dieser Schwingungsparameter kann nun ein Bremseneingriff mittels der Bremsen 3a oder 3b zeitlich und größenmäßig derart durchgeführt werden, dass die gewünschte dämpfende Wirkung (siehe Bremsdruck p, 2) erreicht wird. Wie in 2 zu erkennen ist, entfaltet der Bremsdruck p seine Wirkung im wesentlichen innerhalb eines Zeitfensters, in dem die Radgeschwindigkeit bzw. die Schwingung S oberhalb des Mittelwerts MW liegt (also innerhalb der positiven Halbwelle der Radgeschwindigkeit).
• Wegen der endlichen Ansprechzeit des Bremssystems 3, 10 wird der Dämpfungsimpuls D eine vorgegebene Zeit Δt vor dem Zeitpunkt, an dem die Bremswirkung beginnen soll, an das Bremssystem 3, 10 übertragen.
• Die Dämpfungsimpulse D können grundsätzlich unabhängig voneinander für jedes Rad 2a, 2b ausgegeben und somit die Räder 2a, 2b radindividuell gedämpft werden. Bei einer gleichphasigen Schwingung der Räder 2a, 2b, die vor allem durch das Schwingen der Räder gegenüber der Antriebswelle 5 und dem Motor 6 entstehen, werden die Dämpfungsimpulse D für das linke und rechte vordere Antriebsrad 2a, b gleichzeitig ausgegeben und die Räder 2a, 2b somit synchron gedämpft. Dadurch verbessert sich die Dämpfungswirkung im Vergleich zu einer asynchronen Dämpfung.
• Im Fall eines allradgetriebenen Fahrzeugs kommt diese Vorgehensweise in entsprechender Art und Weise an der zweiten angetriebenen Achse ebenfalls zur Anwendung.
• Die Dämpfungsprozedur wird vorzugsweise nur in einem vorgegebenen Frequenzbereich der Schwingung durchgeführt.
• Bei einem Regeleingriff eines Fahrdynamikregelungssystems, wie z.B. ASR oder ESP, sind die Dämpfungsimpulse D den vom Fahrdynamikregelungssystem ausgegebenen Soll-Bremsmomenten vorzugsweise überlagert, so dass die Funktion des Systems zur Rad- bzw. Fahrzeugstabilisierung voll erhalten bleibt und zusätzlich unerwünschte Radschwingungen S eliminiert werden.

1

Fahrzeug

2

Angetriebene Räder

3

Radbremsen

4

Seitenwellen

5

Antriebswelle

6

Motor

7

Differential

8

Radsensoren

9

Steuergerät

10

Hydroaggregat

S

Schwingung

MW

Mittelwert

D

Dämpfungsimpuls

p

Radbremsdruck

T

Periodendauer

A

Amplitude

φ

Phasenwinkel

Δt

Verzögerungszeit

Claims (10)

1. Verfahren zum Dämpfen von Radschwingungen (S) der Räder (2) eines Fahrzeugs (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine die Schwingung (S) beschreibende Größe (φ, A, T) für wenigstens ein Rad (2) ermittelt und die Radbremse (3) des Rades (2) in Abhängigkeit von der ermittelten Größe (φ, A, T) betätigt wird, um die Schwingung (S) zu dämpfen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Phasenlage (φ) der Schwingung (S) ermittelt und die Bremse (3) in Abhängigkeit von der Phasenlage (φ) betätigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (A) der Schwingung (S) ermittelt und die Bremse (3) in Abhängigkeit von der Amplitude (A) betätigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz bzw. Periodendauer (T) der Schwingung (S) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (3) mehrfach hintereinander betätigt wird, wobei sie gegebenenfalls nur jede zweite oder n-te Periode (T) der Schwindung (S) betätigt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwingungsgröße (φ, A, T) gemessen wird, ein Steuergerät (9), in dem ein Dämpfungsalgorithmus hinterlegt ist, ein Dämpfungssignal (D) in Abhängigkeit von der Schwingungsgröße (φ, A, T) erzeugt und das Dämpfungssignal (D) an ein Bremssystem (10, 3) überträgt, und ein Bremseneingriff an wenigstens einem vorgegebenen Rad (2) in Abhängigkeit vom Dämpfungssignal (D) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseneingriffe radindividuell erfolgen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseneingriffe an mehreren Rädern (2a, 2b) synchron durchgeführt werden, wenn diese Räder (2a, 2b) phasengleich schwingen.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungssignal (D) eine vorgegebene Zeit vor dem Zeitpunkt, an dem der Bremseneingriff erfolgen soll, an das Bremssystem (10, 3) übertragen wird.
10. Vorrichtung zum Dämpfen von Radschwingungen (S) der Räder (2) eines Fahrzeugs (1), gekennzeichnet durch eine Sensorik (8, 9) zum Messen einer die Schwingung (S) beschreibenden Größe (φ, A, T), ein Steuergerät (9) mit einem Dämpfungsalgorithmus zum Erzeugen eines Dämpfungssignals (D) in Abhängigkeit von der gemessenen Größe (φ, A, T), und ein Bremssystem (3, 10), das an wenigstens einem vorgegebenen Rad (2) einen Bremseneingriff in Abhängigkeit vom Dämpfungssignal (D) durchführt.