DE19734675C2 - System zur aktiven Federung eines Fahrwerks - Google Patents

Abstract

Die konventionelle Fahrwerksfederung mit den Bauelementen Feder und Stoßdämpfer ist durch die notwendige Kompensation von Aufbau- und Zuladungsgewicht bereits in der Dimensionierung der Feder weitgehend festgelegt. Die Dimensionierung der Dämpfungskraft besitzt für den Bereich des aperiodischen Grenzfalls über Federkonstante und Masse ebenfalls wenig Variationsmöglichkeiten, so daß nur geringer Spielraum zur Erhöhung von Komfort und Sicherheit besteht. Die Zielsetzung ist nun, durch die Anwendung eines flexibleren aktiveren Systems die Fahrwerkseigenschaften zu verbessern. DOLLAR A Die Fahrwerksfederung kann in Bezug auf Komfort und Sicherheit mit einem aktiven Niveauregelungssystem allein durch Verwendung des klassischen PID-Regelalgorithmus wesentlich verbessert werden, weil die Einstellungen der Gewichtskompensation ("reactio") und der Rückstellkraft funktionell unabhängig voneinander vorgenommen werden. Wesentliche Komponente zur Machbarkeit und Funktion einer solchen aktiven Niveauregelung ist ein Hydraulikkreislauf, der einen Druck erzeugt, der vom Reglerausgang eingestellt wird und nahezu unabhängig vom "Federweg" ist, d.h. von den Bewegungen eines Hydraulikkolbens, der wiederum zusammen mit seinem Zylinder das Stellglied der Niveauregelung darstellt. Die Optimierung eines solchen aktiven Systems, z. B. durch Verwendung weiterer Sensoren, dem Einbringen von Zusatzfunktionen (dynamische Nick- und Wankkompensation) und der Verwendung höherer Regelalgorithmen, besitzt ein ...

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein hydraulisches System zur Erzeugung einer vom Federweg weitgehend invarianten, einstellbaren Kraft, die in einem Plungerkolbenzylinder als Stell­ größe einer Stellungsregelung zur aktiven Federung eines Fahrwerks dient.

Zur Aufbaufederung eines Landfahrzeugs, insbesondere eines Automobils, werden fast ausnahmslos die passiven Komponenten Stahlfedern und Stoßdämpfer verwendet. In eini­ gen Fällen erscheinen Fahrzeuge mit Gasdruckfedern in Zusammenhang mit Hydraulik- oder Pneumatiksystemen auf dem Markt.

In der Literatur (z. B.: Thomas Fuhrmann: "Das denkende Fahrwerk" in mot Technik Heft 4/1984 S. 46-48; Wolfgang Schramm, Klaus Landesfeind und Rainer Kallenbach: Aktive Fahrwerkregelung; "Ein Hochleistungskonzept zur aktiven Fahrwerkregelung mit reduziertem Energiebedarf" in ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 94 (1992) 7/8 S. 392-403; Darenberg, Gall und Acker: Chancen und Probleme aktiver Kraftfahrzeugregelungen, VDI-Bericht Nr. 515, Düsseldorf 1984 S. 187-194; W. Klinkner: VDI-Bericht Nr. 778, Düsseldorf, 1989.) wird eine Vielzahl von aktiven Systemen zur Aufbaufederung präsentiert, die Skala reicht von der Gasdruckfeder mit Zusatzfunktionen bis zu hochaktiven Syste­ men, die die Steuerung eines Differentialkolbens durch einen Sensor für einlaufende Fahr­ bahnunebenheiten enthalten, sowie einem Systementwurf für eine aktive Niveau- bzw. Stellungsregelung (EP 0 255 720), die ebenfalls Rad und Aufbau mit einem Differential­ kolbenzylinder verbindet.

Die Mängel des konventionellen Systems sind seine Unflexibilität gegenüber den unter­ schiedlichen Anforderungen durch Fahrkomfort und Fahrsicherheit bei den zu betrachten­ den Fahrsituationen. Dies wird bei starkem Einfluß der Zuladung besonders deutlich. Die Systeme mit Gasdruckfedern können etwas, jedoch nicht entscheidend flexibler sein und bezahlen dies mit wesentlich höherem Aufwand.

Die hochaktiven Systeme mit Fahrbahnsensor und Differentialkolbensteuerung liegen an oder jenseits der Grenzen der Machbarkeit.

Der Systementwurf der Stellungsregelung (EP 0 255 720) besitzt übergeordnet richtige Ideen, wird jedoch in dem hydraulischen System zur Erzeugung der Stellkraft den Anfor­ derungen nicht gerecht, denn die Stellkraft sollte weginvariant und einstellbar sein.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gesetzt, diese Mängel zu vermeiden und eine flexi­ ble und effiziente Fahrwerksoptimierung unter Verwendung konventioneller Technologien zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale gelöst. Die im hydraulischen System erzeugte Kraft ist von einer Stellungsregelung steuerbar und von der Kolbenbewegungen (Federweg) weitgehend unabhängig. Die Stellungsregelung wird so in die Lage versetzt, alle benötigten Funktionen zur Fahrwerksfederung beliebig flexibel wahrzunehmen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der Erhöhung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit. Die Fig. 4 zeigt ergänzend Simulationsrechnungen für ein konventionelles System mit einer Feder-Stoßdämpferabstimmung entsprechend dem aperiodischen Grenzfall. Fig. 5 zeigt in gleicher Weise die Simulationsrechnung für das unten beschriebene aktive System nach der Erfindung. Der Vergleich zeigt eindeutig Vorteile des aktiven Systems in Bezug auf geringere Vertikalbeschleuni­ gung des Aufbaus um den Faktor 3 bis 5 und gleichmäßigere Anpreßkraft des Reifens. Die gezeigten Vorteile stellen sich bereits durch die einfache Maßnahme ein, die reactio auf die Gewichtskraft und die Kurzeitrückstellkraft durch Proportional- und Integralanteil des Reglers im Unterschied zum konventionellen System getrennt zu bilden. Weitere Op­ timierungen ergeben weiter verbessertes Verhalten. Neben den gezeigten Vorteilen beim einfachen Durchfedern des Rades ist ebenso mit Vorteilen bei der Niveau­ haltung sowie dem Nick- und Wankverhalten zu rechnen.

Das Problem der Verlustleistung stellt sich generell. Auch bei der konventionellen Fede­ rung ergeben sich Verluste, da hier vom Motor gelieferte Bewegungsenergie im Stoß­ dämpfer in Wärmeenergie umgewandelt wird. Der Vergleich des Energieverbrauchs von aktivem und konventionellem System ist nicht direkt möglich, da der Bewegungsablauf nach einer Anregung sehr unterschiedlich ist. Unter Annahme möglichst realistischer Randbedingungen wurde die Verlustleistung des erfindungsgemäßen aktiven Systems auf ungefähr das Doppel­ te derer des konventionellen Systems ermittelt.

Pumpe und Drosseleinrichtung sind für einen alle Möglichkeiten des Systems vorteilhaft nutzenden Betrieb so auszulegen, daß ein Kennlinienfeld wie es erläuternd in Fig. 3 dargestellt ist jederzeit durchfahren werden kann, es kön­ nen also hohe und niedrige Drücke beliebig mit hohen und niedrigen Durchsätzen kombi­ niert werden.

Bei glatter Fahrbahn kann so durch Absenken des Pumpendurchsatzes und des Druckab­ falls über der Drosseleinrichtung 13 eine minimale Verlustleitung eingestellt werden. Hierdurch wird nur noch die unvermeidliche Verlustleistung (Systemdruckverlust mal Minimaldurchsatz) erzeugt. Im Gegensatz zu DE 41 30 395 A1 muß keine Überschußmen­ ge verlustbehaftet über eine Drossel abgeführt werden.

Zusätzlich kann durch den Anschluß eines kleinen, mit knapp Kolbendruck gepufferten Druckspeichers am Druckteilerpunkt über ein Rückschlagventil eine plötzliche Fahr­ bahnabsenkung kompensiert werden. Auf diese Weise ist der Betrieb mit minimaler Ver­ lustleistung möglich, ohne daß das System von plötzlich auftretenden Fahrbahnunebenhei­ ten überrascht werden kann.

Eine weitere Methode der Energieeinsparung besteht darin, daß das aktive System nur teiltragend ausgebildet wird, dh. die Aufbaufederung sowohl konventionell als auch aktiv wahrgenommen wird.

Vorteilhaft können auch weitere Sensoren, z. B. für Beschleunigung und Gewicht, verwen­ det werden, um die Dynamik der Gewichts-, Nick- und Wankkompensation zu verbessern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihr Zusammenwirken mit der Stellungsrege­ lung zeigen Fig. 1 und Fig. 2.

Fig. 1 zeigt den übergeordneten Systemaufbau

Fig. 2 zeigt das hydraulische System zur Umsetzung des Reglerausgangssignals in einen vom Kolbenhub (Federweg) weitgehend invarianten Druck zur Beaufschlagung des Plun­ gerkolbenzylinders nach Patentanspruch.

Das Stellungsregelsystem ist bemüht, den Plungerkolben 1 auf dem vorgewählten Stel­ lungssollwert 2 des senkrechten Abstands 6 zwischen Aufbau 3 und Rad 4 zu halten, in­ dem der Plungerkolbenzylinder 5 mehr oder weniger mit Druck beaufschlagt wird.

Im ein­ fachsten Fall wird dies durch den üblichen PID-Regelalgorithmus erreicht. Der Proportio­ nalanteil sorgt für die Rückstellkraft im Kurzzeitbereich, dh für die Kompensation der sto­ chastischen Radbewegungen, der Differentialanteil übernimmt die Dämpfungskraft und der Integralanteil kompensiert die jeweilige Gewichtskraft von Aufbau und Zuladung 3 und löst so auch das Problem der Niveauhaltung.

Die Regelungsparameter sind frei einstellbar, solange sie sich sinnvollerweise innerhalb der Stabilitätsgrenzen halten. Insbesondere der Proportionalanteil wird nun nicht mehr von der reactio auf die Gewichtskraft bestimmt und kann kleiner bemessen werden, was den Fahrkomfort erhöht. Die Folge ist, daß auch die Dämpfungskraft kleiner werden kann. Dies wiederum verbessert ebenfalls die Schwingungsisolation des Aufbaus und verbessert die Bodenpressung des Rades bei schnellen Radbewegungen im Vergleich zu konventio­ nellen Systemen.

Nick- und Wankbewegungen werden durch den Stellungsregelkreis ebenfalls ausgegli­ chen.

Da der Regler 8 entsprechend dem Stand der Technik als digitaler Universalrechner 9 aus­ geführt ist, können auch höhere Regelalgorithmen angewendet werden.

Die Einrichtung 10 (hydraulisches System) zur Erzeugung der zur Kolbenstellung invarian­ ten und von der Stellungsregelung steuerbaren Kraft wird im Folgenden beschrieben:

Hydrauliksystem nach Patentanspruch (s. Fig. 2).

Das Hydraulikkreislauf besteht aus einem offenen Hydrauliksystem mit den üblichen Ele­ menten wie Pumpe 11 und Druckbegrenzungsventil 12 auf der Druckerzeugerseite und dem Ölbehälter 17. Die Verbraucherseite besteht aus der Reihenschaltung von einer ein­ stellbaren Drosseleinheit zur Regelung des Durchflusses 13 und einem weiteren Druckbe­ grenzungsventil 14. Die beiden letzteren Komponenten werden ständig durchströmt und bilden so eine Druckteilerschaltung. Der Druck an ihrer Verbindungsstelle ist durch das entsprechend ausgerüstete Druckbegrenzungsventil 14 von der Stellungsregelung einstell­ bar und weitgehend durchsatzinvariant. An der Verbindungsstelle wird auch der zwischen Rad und Aufbau angebrachte Plungerkolbenzylinder 5 hydraulisch angeschlossen. Hiermit ist die zur Kolbenstellungs weitgehend invariante, durch die Stellungsregelung einstellbare Kraft gegeben.

Claims (1)

1. System zur aktiven Federung eines Fahrwerkes mit einer Hydraulikschaltung mit einer Druckerzeugungseinrichtung (11, 12), in einem Hydraulikkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucherseite des Hydraulikkreislaufs mittels einer von einer Stellungsregelung einstellbaren Drosseleinrichtung (13) und eines in Reihe nachgeschalteten, von der Stellungsregelung gesteuerten Druckbegrenzungsventils (14) als ständig durchströmte Druckteilerschal­ tung aufgebaut ist, wobei der zwischen Drosseleinrichtung (13) und Druckbegrenzungs­ ventil (14) hydraulisch angeschlossene Plungerkolbenzylinder (5) weitgehend unab­ hängig von seiner Kolbenstellung immer mit dem von der Stellungsregelung eingestell­ ten Druck beaufschlagt wird.