DE19855310A1 - Aktives Federungssystem für Fahrzeuge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein aktives Federungssystem für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrzeugrädern angeordneten aktiven Abstützaggregaten, die jeweils aus einer passiven Feder sowie einem dazu in Reihe angeordneten hubverstellbaren Stellorgan bestehen. Diese werden unter anderem in Abhängigkeit von Aufbaubeschleunigungen des Fahrzeuges gesteuert, wobei niederfrequente und höherfrequente Anteile der Aufbaubeschleunigungen unterschiedlich berücksichtigt werden. Dadurch läßt sich erreichen, daß das Fahrzeug bei gutem Komfort dem Fahrbahnprofil vergleichsweise direkt folgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Federungssystem für Fahr­ zeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit zwischen Fahrzeugauf­ bau und Fahrzeugrädern angeordneten Abstützaggregaten, die jeweils ein aktiv hubverstellbares Stellorgan und eine dazu in Reihe angeordnete passive Feder aufweisen, und mit automa­ tischer Steuerung der Stellorgane, wobei jedem Abstützaggre­ gat ein Weggeber zur Erzeugung eines mit der Hubstellung des Abstützaggregates korrelierten Signales und dem Fahrzeugauf­ bau eine Sensoranordnung zur Erzeugung von Signalen, die mit Aufbaubeschleunigungen korreliert sind, zugeordnet ist und zur Steuerung der Stellorgane dienende Steilsignale einen durch die Signale der vorgenannten Sensoranordnung erzeugten Signalanteil aufweisen.

Aus der DE 39 32 476 A1 ist ein derartiges Federungssystem bekannt, welches hydropneumatische Feder- und Abstützaggrega­ te aufweist, bei denen die passive Feder durch einen pneuma­ tischen Federspeicher gebildet wird. Dieser Federspeicher ist mit einem Kolbenarbeitsraum eines zwischen gefederter und un­ gefederter Masse angeordneten Kolben-Zylinder-Aggregates hy­ draulisch verbunden, wobei das durch die hydraulische Verbin­ dung gebildete "hydraulische Gestänge" durch Zu- bzw. Abfuhr von hydraulischem Medium verlängert bzw. verkürzt werden kann. Die Stellsignale für die Stellorgane umfassen unter an­ derem Anteile, die durch die Längs- und Querbeschleunigung des Aufbaus bestimmt werden, sowie weitere Anteile, welche vom Hubweg der ungefederten Masse relativ zur gefederten Mas­ se sowie von der Vertikalbeschleunigung der gefederten Masse abhängen.

Die DE 42 31 641 A1 sowie die DE 44 14 022 A1 zeigen aktive Federungssysteme, bei denen eine passive mechanische Feder in Reihe zu einem hydraulischen Stellaggregat angeordnet ist, d. h. das "hydraulische Gestänge" ist nach dieser Druckschrift mit einer mechanischen Feder kombiniert.

Im übrigen ist es beispielsweise aus der DE 43 03 160 A1 be­ kannt, bei Fahrzeugen zwischen Aufbau und Rad jeweils ledig­ lich einen aktiven Krafterzeuger, ohne in Reihe dazu angeord­ nete passive Feder, anzuordnen und die Steuerung in Abhängig­ keit von zu überwachenden Parametern durch einen Soll- Istwert-Vergleich vorzunehmen. Bei derartigen Systemen muß eine außerordentlich hohe Reaktionsfähigkeit der Krafterzeu­ ger sowie der Regelstrecken gegeben sein. Andernfalls würde sich ein unkomfortables Federungsverhalten ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein aktives Federungssystem zu schaffen, bei dem auf Aufbaubeschleunigungen in besonderer Weise reagiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein von der Sensoranordnung für die Aufbaubeschleunigung bewirk­ ter Signalanteil für höherfrequente Anteile der Aufbaube­ schleunigung oberhalb einer Grenzfrequenz eine die jeweilige Aufbaubeschleunigung vermindernde Verstellung der Stellorgane und für niederfrequente Anteile der Aufbaubeschleunigung un­ terhalb der gleichen oder einer anderen Grenzfrequenz eine betragsmäßig verminderte oder verschwindende und/oder eine entgegengesetzte Verstellung der Stellorgane bewirkt.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, Aufbaube­ schleunigungen unter Berücksichtigung ihres Frequenzspektrums zu verarbeiten. Dabei wird die Tatsache berücksichtigt, daß höherfrequente Anteile der Aufbaubeschleunigungen zu einem erheblichen Teil durch Fahrbahnunebenheiten mit kurzer Raum­ wellenlänge verursacht werden, während die sehr niederfre­ quenten Anteile der Aufbaubeschleunigungen vornehmlich durch Fahrbahnkonturen mit sehr großer Raumwellenlänge bzw. durch Kurven des Fahrweges, Seitwärtsgefälle des Fahrweges im Be­ reich von Kurven u. dgl. verursacht werden. Durch die fre­ quenzabhängige Berücksichtigung der Aufbaubeschleunigungen kann einerseits ein guter Komfort erreicht werden, indem bei höherfrequenten Aufbaubewegungen eine komfortbetonte Nachgie­ bigkeit der Federung gewährleistet werden kann. Andererseits wird mit der Erfindung eine sichere Handhabung des Fahrzeuges gewährleistet, indem durch langweilige Fahrbahnkonturen ver­ ursachte Aufbaubewegungen nicht bzw. nur in verringertem Maße gemildert werden, so daß der Fahrzeugaufbau eine vorgegebene Sollage relativ zur gemittelten Fahrbahnkontur vergleichswei­ se stabil einhalten kann.

Im übrigen wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung unter Berücksichtigung der Aufbaube­ schleunigungen für die Stellsignale der Stellaggregate auch ein Signalanteil ermittelt, welcher mit dem Zustand der Rei­ fenfedern der Fahrzeugräder korreliert ist. Wenn die Nutzlast eines Fahrzeuges während der Fahrt relativ zum Fahrzeugaufbau unbeweglich bleibt und die träge Masse der Fahrzeugräder so­ wie Radaufhängungen im Vergleich zur Masse des Fahrzeugauf­ baus gering ist, werden die Aufbaubeschleunigungen überwie­ gend nur durch die zwischen Fahrweg und Aufbau wirksamen Kräfte bestimmt, welche über die Räder und damit die Reifen­ federn übertragen werden und dementsprechend auch den Zustand der Reifenfedern - zumindest in hohem Maße - bestimmen.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines Abstützaggregates,

Fig. 2 eine schematisierte Darstellung eines Fahrzeuges mit erfindungsgemäßem Federungssystem und

Fig. 3 ein Blockschaltbild der automatischen Steuerung für die hubverstellbaren Stellorgane der Abstützaggre­ gate.

Gemäß Fig. 1 ist zwischen einem Rad 1 und dem Aufbau 2 eines Fahrzeuges ein Abstützaggregat 3 angeordnet, welches jeweils eine passive Feder 4 sowie ein dazu in Reihe angeordnetes Hy­ draulikaggregat 5 aufweist. Mittels des Hydraulikaggregates 5 läßt sich das aufbauseitige Widerlager der Feder 4 relativ zum Aufbau 2 vertikal verstellen.

Parallel zur Feder 4 ist ein Dämpfer 6 angeordnet. Dieser ist gemäß Fig. 1 zwischen Rad 1 und Aufbau 2 vorgesehen. Grund­ sätzlich ist es jedoch auch möglich, diesen Dämpfer 6 zwi­ schen Rad 1 und Hydraulikaggregat 5 parallel zur Feder 4 an­ zuordnen. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung des Dämpfers 6 bietet die Möglichkeit, den Dämpfer 6 mit größerer Länge aus­ zubilden. Bei einer Anordnung des Dämpfers 6 zwischen Rad 1 und Hydraulikaggregat 5 ist vorteilhaft, daß das Hydraulikag­ gregat 5 bei einer Verstellung nicht gegen den Widerstand des Dämpfers 6 arbeiten muß.

Das Hydraulikaggregat 5 ist über eine Steuerventilanordnung 7 steuerbar mit einer hydraulischen Druckquelle 8 verbunden.

Dabei kann es sich beispielsweise um einen Druckspeicher han­ deln, der von einer nicht dargestellten Pumpe regelmäßig nachgeladen wird.

Die Steuerventilanordnung 7 wird mittels einer elektronischen Regelschaltung 10 in weiter unten dargestellter Weise betä­ tigt.

Gemäß Fig. 2 ist jedem Rad 1 bzw. jedem Abstützaggregat 3 ein Weggeber 11 zugeordnet, dessen Signal mit dem Abstand zwi­ schen dem jeweiligen Rad 1 und dem Aufbau 2 korreliert ist. Die Weggeber 11 können konstruktiv in beliebiger Weise ausge­ bildet sein. Beispielsweise können Hubsensoren vorgesehen sein, die unmittelbar den Abstand zwischen Mitte des Rades 1 und Aufbau 2 erfassen. Statt dessen können auch Winkelgeber vorgesehen sein, die beispielsweise den Schwenkwinkel eines zur Radführung dienenden Lenkers relativ zum Aufbau 2 erfas­ sen. Das Maß eines solchen Schwenkwinkels ist ein Maß für den Abstand zwischen Rad 1 und Aufbau 2.

Am Fahrzeugaufbau 2 sind mehrere Beschleunigungssensoren 12 vorgesehen, durch die aufbauseitige Vertikalbeschleunigungen erfaßt werden können. Damit kann die Regelschaltung 10 be­ schleunigte Hubbewegungen des Fahrzeugaufbaus ermitteln und gegebenenfalls auch beschleunigte Nick- bzw. Wankbewegungen, d. h. Rotationsbewegungen des Fahrzeugaufbaus 2 um dessen Quer- bzw. Längsachse. Zusätzlich können Sensoren 13 und 14 unmittelbar Längs- und Querbeschleunigungen des Fahrzeugauf­ baus 2 registrieren.

Im Ergebnis stehen damit Signale für Beschleunigungen des Aufbaus in Längs-, Quer- und Vertikalrichtung sowie für be­ schleunigte Drehbewegungen bezüglich der Längs-, Quer- und Hochachse zur Verfügung.

Nach Fig. 3 werden die Signale der Sensoren 12 für die Verti­ kalbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus 2 von einer Schaltungs­ einheit 15 verarbeitet, derart, daß ausgangsseitig dieser Einheit 15 Signale für die Hubbeschleunigung, die Nickbe­ schleunigung sowie die Wankbeschleunigung des Aufbaus 2 vor­ liegen. Diese. Signale werden einerseits einem Verstärker 16 und andererseits einem dazu parallel angeordneten Tiefpaßfil­ ter 17 zugeführt. Dabei arbeitet der Verstärker 16 mit ne­ giertem Ausgang, derart, daß die Ausgangssignale von Verstär­ ker 16 und Tiefpaßfilter 17 von einer nachgeschalteten Sum­ mierschaltung 18 im Sinne einer Subtraktion miteinander ver­ knüpft werden.

Wenn eine Aufbaubeschleunigung in Aufwärtsrichtung vorliegt, repräsentieren die Ausgangssignale des Verstärkers 16 einen Befehl zur Verkürzung eines oder mehrere der Hydraulikaggre­ gate 5. Im Falle einer Aufbaubeschleunigung in Abwärtsrich­ tung stellen die Ausgangssignale des Verstärkers 16 Befehle zur Verlängerung eines oder mehrerer der Hydraulikaggregate 5 dar. Im Ergebnis können die vorgenannten Steuersignale als Steuerbefehle zur Verminderung bzw. Dämpfung aufbauseitiger Vertikalbeschleunigungen aufgefaßt werden.

Die Ausgangssignale des Tiefpaßfilters 17 stellen zu den Aus­ gangssignalen des Verstärkers 16 inverse Befehle dar, die al­ lerdings aufgrund der Tiefpaßwirkung des Filters 17 nur für niederfrequente Anteile der Aufbaubeschleunigung erzeugt wer­ den.

Wenn die Ausgangssignale von Verstärker 16 und Tiefpaßfilter 17 in der Summierschaltung 18 miteinander verknüpft werden, ergeben sich also ausgangsseitig der Summierschaltung 18 fre­ quenzabhängig modulierte Signalanteile, mit dem Ergebnis, daß eine entsprechend frequenzabhängige Dämpfung von vertikalen Aufbaubeschleunigungen ermöglicht wird. Dabei wird durch die Elemente 16, 17 und 18 bestimmt, ab welcher Frequenz vertikale Aufbaubeschleunigungen bei der Regelung der Stellaggregate 5 berücksichtigt werden bzw. eine erhöhte Rolle spielen.

Die Ausgangssignale der Schaltungseinheit 15 werden außerdem einer Summierschaltung 19 zugeführt, der auch die Signale der Sensoreanordnungen 13 und 14 für die Quer- und Längsbeschleu­ nigung des Fahrzeugaufbaus zugeführt werden. Ausgangsseitig der Summierschaltung 19 liegen damit Signale vor, die die auf den Aufbau 2 einwirkenden äußeren Kräfte widerspiegeln, so­ lange Bewegungen der Nutzlast oder der Insassen des Fahrzeu­ ges bei der Fahrt vernachlässigt werden können. Diese äußeren Kräfte müssen bei einem Straßenfahrzeug praktisch vollständig an den Rädern 1 wirksam werden und zu einer analogen Einfede­ rung bzw. Verspannung der Reifen bzw. Reifenfedern 1' der Rä­ der 1 führen.

Mittels einer Schaltungseinheit 20 können nun die Ausgangs­ signale der Summierschaltung 19 in solche Signale transfor­ miert werden, die den Einfederzustand der Reifenfedern 1' wie­ dergeben.

Diese Signale werden einer Summierschaltung 21 zugeführt und dort mit den Signalen der Weggeber 11 derart verknüpft, daß ausgangsseitig Signale vorliegen, welche mit den Bodenabstän­ den des Aufbaus 2 an den jeweiligen Rädern 1 korreliert sind. In ihrer Gesamtheit stellen diese Signale also eine Informa­ tion über die Lage des Fahrzeugaufbaus 2 relativ zur Fahrbahn dar.

In der Schaltungseinheit 22 werden diese Signale so transfor­ miert, daß ausgangsseitig Signale zur Verfügung stehen, wel­ che mit dem Istwert des mittleren Bodenabstandes des Fahr­ zeugaufbaus 2, dem Istwert des Wankwinkels sowie dem Istwert des Nickwinkels des Fahrzeugaufbaus 2 gekoppelt sind.

Die vorgenannten Signale werden nun einer Summierschaltung 23 zugeführt, die von Sollwertgebern 24 Sollwertsignale für den mittleren Bodenabstand sowie den Nick- und den Wankwinkel des Aufbaus 2 erhält und einen Soll-Istwert-Vergleich durchführt. Damit erzeugt die Summierschaltung 23 ausgangsseitig Signale, welche die Soll-Istwert-Abweichungen der Ist-Lage des Fahr­ zeugaufbaus 2 gegenüber dessen Sollage repräsentieren.

Die Ausgangssignale der Summierschaltung 23 werden dann in einer Schaltungseinheit 25 im Sinne einer Proportional- Integral-Regelung verarbeitet.

Die Ausgangssignale der Schaltungseinheit 25 werden in der Summierschaltung 18 mit den Ausgangssignalen des Verstärkers 16 sowie des Tiefpaßfilters 17 kombiniert, so daß ausgangs­ seitig der Summierschaltung 18 eine Signalgesamtheit zur Ver­ fügung steht, die einerseits die gewünschten Gegenmaßnahmen gegen Aufbaubewegungen relativ zum einem erdfesten Bezugssy­ stem sowie andererseits Gegenmaßnahmen zum Ausgleich von Auf­ baubeschleunigungen umfaßt.

Die Ausgangssignale der Summierschaltung 18 können ein Tief­ paßfilter 26 durchlaufen, um zu vermeiden, daß durch Motorvi­ brationen oder durch Unwuchten der Räder 1 od. dgl. bewirkte Aufbauschwingungen bei Erzeugung der Stellsignale für die Steuerventilanordnungen 7 berücksichtigt werden.

Hinter dem Tiefpaßfilter 26 ist bevorzugt eine weitere Sum­ mierschaltung 27 angeordnet, der zusätzlich zu den Ausgangs­ signalen des Tiefpaßfilters 26 die Ausgangssignale einer Dif­ ferenzieranordnung 28 zugeführt werden, welche eingangsseitig die Ausgangssignale der Summierschaltung 19 erhält. Dement­ sprechend repräsentieren die Ausgangssignale der Differen­ zieranordnung 28 die Änderung derjenigen Signale, die mit den auf den Aufbau 2 wirkenden äußeren Kräften und Momenten korr­ liert sind.

Die Ausgangssignale der Summierschaltung 27 enthalten dement­ sprechend Signalanteile, die durch Bewegungsgeschwindigkeiten des Aufbaus 2 vorgegeben sind. Außerdem umfassen die Aus­ gangssignale der Summierschaltung 27 Signalanteile, die durch die auf den Aufbau wirkenden äußeren Momente und Kräfte be­ stimmt werden. Schließlich sind Signalanteile vorhanden, die durch die Abweichung der Ist-Lage des Aufbaus relativ zum Bo­ den gegenüber einer entsprechenden Sollage vorgegeben werden.

Diese Signale werden nun einer Endstufe 29 zugeführt und dort in elektrische Steuerströme für die Steilmagnete der Steuer­ ventilanordnungen 7 der Räder 1 des Fahrzeuges umgesetzt. Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, Stellbewegungen der Hy­ draulikaggregate 5 zum Ausgleich von Wankbewegungen des Auf­ baus 2 an den Vorder- und Hinterrädern des Fahrzeuges unter­ schiedlich zu steuern.

Vorzugsweise erzeugt die Schaltungseinheit 22 auch Signale, die mit den Bodenabständen des Aufbaus 2 an einander diagonal gegenüberliegenden Rädern 1 (z. B. rechtes Vorderrad und lin­ kes Hinterrad) korreliert sind. Diese Signale stellen eine Information über die Größe und Richtung der Verspannung des Ausbaus 2 dar. Diese Signale werden dann von der Endstufe 29 beim Wankausgleich berücksichtigt, d. h. wenn die Stellaggre­ gate 5 zum Ausgleich von Drehbewegungen des Aufbaus 2 um des­ sen Längsachse angesteuert werden.

Gegebenenfalls kann die Endstufe 29 beim Wankausgleich die Stellaggregate 5 so ansteuern, daß die zum Wankausgleich vor­ gesehenen Stützkräfte in - vorzugsweise parameterabhängig - vorgebbarer Weise auf Vorder- und Hinterräder des Fahrzeuges aufgeteilt werden.

Claims (6)

1. Aktives Federungssystem für Fahrzeuge, insbesondere Kraft­ fahrzeuge, mit zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrzeugrädern an­ geordneten Abstützaggregaten, die jeweils ein aktiv hubver­ stellbares Stellorgan und eine dazu in Reihe angeordnete pas­ sive Feder aufweisen, und mit automatischer Steuerung der Stellorgane, wobei jedem Abstützaggregat ein Weggeber zur Er­ zeugung eines mit der Hubstellung des Abstützaggregates kor­ relierten Signales und dem Fahrzeugaufbau eine Sensoranord­ nung zur Erzeugung von Signalen, die mit Aufbaubeschleunigun­ gen korreliert sind, zugeordnet ist und zur Steuerung der Stellorgane dienende Stellsignale einen durch die Signale der vorgenannten Sensoranordnung erzeugten Signalanteil aufwei­ sen, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Signalanteil für höherfrequente Anteile der Auf­ baubeschleungiung oberhalb einer Grenzfrequenz eine die je­ weilige Aufbeschleunigung vermindernde. Verstellung der Stellorgane (5) und für niederfrequente Anteile der Aufbaube­ schleunigung eine betragsmäßig verminderte, verschwindende und/oder entgegengesetzte Verstellung der Stellorgane (5) be­ wirkt.

2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für höherfrequente vertikale Aufbaubeschleunigungen eine diese Aufbaubeschleunigungen vermindernde Verstellung der Stellorgane (5) und für niederfrequente vertikale Aufbaube­ schleunigungen eine betragsmäßig verminderte, verschwindende und/oder entgegengesetzte Verstellung der Stellorgane (5) be­ wirkt wird.

3. Federungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Signale, welche Beschleunigungen, insbesondere Vertikal­ beschleunigungen, des Aufbaus (2) wiedergeben, einem Verstär­ ker (16) sowie einem dazu parallelen Tiefpaßfilter (17) zuge­ führt und die Ausgangssignale von Verstärker (16) und Tief­ paßfilter (17) miteinander subtraktiv verkoppelt werden.

4. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärker (16) und Tiefpaßfilter (17) gleiche Verstär­ kungsfaktoren aufweisen.

5. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (16) einen größeren Verstärkungsfaktor als das Tiefpaßfilter (17) aufweist.

6. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (16) einen geringeren Verstärkungsfaktor als das Tiefpaßfilter (17) aufweist.