DE2837708A1 - Aktive fahrzeugaufhaengung - Google Patents
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Description
Anwaltsakte: P y\~5 British Railways Board
Kennwort: "Aufhängungskontrolle" London, England
Aktive Fahrzeugaufhängung
Die Erfindung betrifft aktive Fahrzeugaufhängungen. Unter der Bezeichnung "Aufhängungen" sollen jegliche Einrichtungen verstanden
werden, die dazu dient, eine oder mehrere Fahreigensehaften des Fahrzeuges zu regeln bzw. steuern=.
Eine Fahrzeugaufhängung muß die zwei folgenden, grundlegenden Voraussetzungen erfüllen:
(a) Die Aufhängung muß unter stetigen Bedingungen und bei geringen
Frequenzen das Fahrzeug veranlassen, einer Führungslinie zu folgen (beispielsweise der Straßenfläche, der Schienenspur,
einem Draht usw.), oder ein vorgegebenes Verhältnis mit einer Führungsgröße (beispielsweise der Schwerkraft, der Trägheit
usw.) beibehalten;
(b) Bei hohen Frequenzen muß die Aufhängung eine Isolierung des Fahrzeugkörpers sowohl gegenüber den Unregelmäßigkeiten der
Führungslinie als auch gegenüber unerwünschten, der Führungs~
größe zugeordneten Signale schaffen.
Bei den meisten praktischen Fällen werden verschiedenartige Feder-
und Dämpfungsaufhängungen eingesetzt, um diese Forderungen zu erfüllen. Unter gewissen Voraussetzungen ist eine aktive (d.h. gesteuerte
oder geregelte) Aufhängung notwendig, bzw. eine solche vermag Vorteile zu bieten, die von einer passiven (d.h. unkontrollierten) Aufhängung nicht zu erwarten sind. Bei einer
aktiven Aufhängung besteht ein weiteres Erfordernis darin, daß
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die Betriebssicherheit als unerläßlich angesehen wird, damit
eine solche Aufhängung in ein Transportsystem eingebaut werden kann. Dies bedeutet, daß wesentliche Änderungen der einzelnen
Parameter der Aufhängung wiederum wesentliche Änderungen der Stabilitätsgrenzen, aber nur kleine Änderungen des dynamischen
Verhaltens auslösen müssen bzw. dürfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aktive Aufhängung zu schaffen, die diese Anforderungen erfüllt.
Gemäß der Erfindung weist eine solche aktive Aufhängung für ein Fahrzeug die folgenden Elemente auf:
a) ein Hauptregelkreis, der ein der Aufhängung zugeordnetes Betätigungsorgan (Aktuator) umfasst und der ein Eingangssignal
als Aufhängungs-Sollwert aufzunehmen und ein Rückführsignal als Antwort des genannten Aktuators auf den
genannten Sollwert ist, wobei Eingangs- und Ausgangssignal in dem genannten Kreis miteinander verglichen werden, um
ein Fehlersignal zu erzeugen, das den Fehler zwischen dem genannten Sollwert und der Antwort des genannten Aktuators
darstellt, und wobei das Fehlersignal durch ein Tiefpassfilter zwecks Kontrolle der Arbeit des Aktuators gegeben
wird; und
b) einen zweiten Regelkreis, der ein Rückhaltesignal zum Verzögern
der Operation des genannten Aktuators veranlasst, wobei das Rückhaltesignal von einem Aufhängungs-Parameter
abgeleitet ist, der die Operation des genannten Aktuators variiert, wobei ferner das Rückhaltesignal durch ein Hochpaßfilter
geschickt wird, das 'im wesentlichen komplementär zu dem genannten Tiefpaßfilter ist, um eine verzögernde
Regelung des genannten Aktuators zu erreichen, und wobei schließlich das Fehlersignal und das Rückhaltesignal jeweils
nach dem Durchlaufen des genannten Tiefpaßes und des genannten
Hochpasses miteinander verglichen werden, um ein resultierendes Signal zum Regeln des genannten Aktuators zu
schaffen.
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Die Erfindung läßt sich vorteilhaft bei Neigungsanordnungen von Eisenbahnfahrzeugen anwenden, bei denen der Fahrzeugkörper
relativ zum Radsatz geneigt wird, um dann ein Untermaß an Schrägstellung
der Schienenspur auszugleichen, wenn das Schienenfahrzeug
durch Kurven fährt. Dabei ist der Aktuator derart angeordnet, daß er den Fahrzeugkörper relativ zum Radsatz um eine
Neigungsachse kippt, die in Längsrichtung des Fahrzeugkörpers
liegt; er wird derart geregelt, daß er den Fahrzeugkörper neigt oder kippt, und zwar derart, daß die auf das Fahrzeug ausgeübte
Seitenbeschleunigung in Abhängigkeit auf Niederfrequenz-Eingangssignale null wird; er wird jedoch positiv verzögert
gegen ein Ansprechen auf Hochfrequenzsignale.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei eine Neigungseinrichtung eines Eisenbahnfahrzeuges zum Ausgleichen
des Schragstellungsmangels zugrundeliegt. Ein schematisches
Blockschaltbild der Neigungseinrichtung ist in der Zeichnung ebenfalls dargestellt.
In der Zeichnung hat die Neigungseinrichtung einen Hauptregelkreis
1, der die Hauptkontrollfunktion ausübt. Kreis l umfaßt einen Neigungsaktuator 2, der beispielsweise einen hydraulischen
Heber sowie zugeordnete Servo-Regelventile umfaßt. Ein Rückführsignal,
das den Winkel θ , um welchen der Fahrzeugkörper bereits geneigt ist, wirkt auf ein Akzelerometer 3 entgegen einem Eingangssignal,
das den Winkel Θ. anzeigt, um welchen der Fahrzeugkörper von einem absoluten Wert ausgehend geneigt sein soll, um den
Schrägstellungsmangel auszugleichen. Ein elektrisches Eingangssignal aus dem Akzelerometer 3 ist somit eine Größe des Mangels
oder Fehlers zwischen der tatsächlichen Neigung und der Sollneigung. In der Praxis ist das dem Akzelerometer ^ zugeführte
Eingangssignal die resultierende seitliche Beschleunigung, die
auf den Fahrzeugkörper an der Akzelerometerstelle wirkt, wobei der Körper um den Winkel θ geneigt ist. Im schematischen Blockschaltbild
ist dieses Eingangssignal als eine Größe dargestellt, die sich aus einer Addition im Addierwerk 4 ergibt; dort wird ein
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positives Signal als Ausdruck des Winkels θ addiert rait einem
negativen Signal als Ausdruck des Winkels θ , wobei das letztere aus dem Aktuator 2 als Geschwindigkeitssignal abgeleitet wurde,
sodann integriert in Integrator 5 und dann verarbeitet in einer Einrichtung 6 durch einen Operator ( g + Is ), wobei g die Erdbeschleunigung,
1 der Abstand des Akzelerometers von der Neigungs-
achse und s der Differenzialoperator ist. Das aus Einrichtung 6 ausgehende Ausgangssignal ist ein Ausdruck für (gQ +10). Sofern
das Akzerelometer auf die Neigungsachse montiert werden kann, wäre
der unerwünschte Ausdruck IS null. Im allgemeinen lassen die Raumverhältnisse
dies jedoch nicht zu. Das aus dem Akzelerometer 3 austretende Fehlersignal wird durch ein Tiefpassfilter 7 gegeben, um
die Arbeit des Aktuators 2 zwecks Korrigierens des Schrägstellungsmangels
zu regeln, was im einzelnen beschrieben werden soll.
Die Neigungseinrichtung hat einen zweiten Regelkreis 10 zum Überwachen
der Hochfrequenzarbeit der Neigungseinrichtung. Zum positiven Verzögern der Arbeit des Aktuators 2. Kreis 10 erzeugt
ein Rückführsignal, das Ausdruck für die von dem Aktuator 2 herbeigeführte Verlagerung des Fahrzeugs ist. Im Blockschaltbild ist
dies so dargestellt, daß es aus dem Ausgang des Aktuators 2 durch einen Geschwindigkeits-Transducer Ii abgeleitet ist; der letztgenannte
ist beispielsweise baulich mit dem Aktuator 2 verbunden und sein Ausgang wird in einem sich selbst auf null einstellenden
Integrator 12 integriert. Das Signal könnte jedoch ebenso gut direkt aus einem Verschiebe-Transducer abgenommen werden. Der Ausgang
aus Integrator 12 wird durch ein Hochpassfilter IJ>
geführt, um dem Aktuator 2 in Verbindung mit dem aus Akzereloraeter J>
erhaltenden Fehlersignal ein verzögerndes Regelsignal zu schaffen.
Auf diese Weise wird ein positives Fehlersignal einem negativen Verzögerungssignal im Addierwerk l4 zuaddiert. Das resultierende
Signal aus dem Addierwerk l4 wird dem Aktuator 2 durch eine Multipliziereinheit 15 zugeführt,, die einen Verstärkungswert G1
in das resultierende Signal einleitet, sowie über einen Integrator ±6S dessen steigender Ausgang über eine Zeitdauer die
Antwort des Aktuators 2 verbessert, ohne die Rückkopplungs=
Schleifen-Verstärkung zu ändern»
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Das Hochpassfilter 13 ist im wesentlichen zum Tiefpassfilter 7
komplementär, so daß die Haupt-Schleifen-Verstärkung gesteigert
werden kann, um einen gewünschten Wert zu erreichen, ohne daß man sich um Filterfrequenzen zu kümmern braucht; die Pilterfrequenzen
können willkürlich dahingehend geändert werden, daß sie den dynamischen Anforderungen entsprechen, ohne die
Stabilitätskriterien des Hauptkreises zu beeinträchtigen. Da die Filter 7 und 13 somit komplementär zueinander sind, ergeben
sie eine Nettoverstärkung und eine Nullphasenverschiebung über den Frequenzbereich. Man erkennt dabei, daß es nicht mehr notwendig
ist, ein genau komplementäres Paar zu haben. Es kann sogar vorteilhaft sein, die beiden Filter dadurch leicht gegeneinander
zu verstimmen, daß sie im Hinblick auf die Betonung einzelner
Rückführelemente entsprechend verändert werden. So konnte festgestellt
werden, daß das Ansprechen eines Filters, welches im wesentlichen ein "Butterworth Response" ist, sehr gut geeignet
ist. Sofern die Bandbreite des Kreises im Hinblick auf die Frequenz der komplementären Filter genügend groß ist, so vermögen
die Filter das Ansprechen der Aufhängung zu definieren. Man sollte daher bestrebt sein, die Auslegung so zu gestalten,
daß die Bandbreite annehmbar hoch ist. Die FiIterfrequenz wird
derart gewählt, daß gute Fahreigenschaften erzielt werden; im
vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein Wert von zwischen 0,3 Hz und 0,6 Hz gewählt. Es spricht jedoch nichts dagegen, auch
Werte außerhalb dieses Bereiches für einen anderen Anwendungsfall
auszuwählen. Die Hauptkreis-Bandbreite im Ausführungsbeispiel
liegt im Bereich von 1-2 Hz, aber auch dieser Wert kann zwischen der Filterfrequenz und der Bandbreite des dritten Kontrollkreises
gewählt werden, auf den im folgenden eingegangen werden soll.
Die Neigungseinriehtung verfügt über einen dritten Regelkreis 20,
der ein Rückführsignal aus dem Gescnwindigkeits-Transdueer 11 ableitet
und dieses über eine Multiplizier-Einheit 21, welche ihrerseits einen Verstärkungswert Gp einführt, einem Addierwerk 23
einspeist, wo das Signal als Negativsignal zu dem positiven, aus dem Multiplikator 15 kommenden Signal addiert wird. Der dritte
Regelkreis multipliziert daher die Arbeitsweise von Aktuator 2
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in dem Sinne, daß er dessen Ansprechen dann verändert, wenn Aktuator 2 den Anforderungen nicht genügt. Der dritte Kreis
bringt somit das Ansprechverhalten von Aktuator 2 in Ordnung,
um eine enge Übereinstimmung zwischen Ausgang und Sollwert herzustellen. Falls ein hydraulischer Aktuator verwendet wird,
werden sodann hydraulische Resonanzen und Nichtlinear!täten
in der Rohrleitung und in den Ventilen ausgeglichen.
Der dritte Kreis dient dazu, ein schnelles Ansprechen herbeizuführen.
Zusätzlich zu der Anordnung eines hierfür vorgesehenen Multipliziergerätes 21 kann er auch einen Integrator mit umfassen.
Die Bandbreite des dritten Kreises muß in oben erwähnter Weise größer als diejenige des Hauptkreises sein.
Sine weitere Rückführkontrolle kann aus dem Gesehwindigkeits-Transducer
abgeleitet und über die Rückführeinrichtung 30
(Geschwindigkeitsaufschaltung) als Negativsignal dem Addierwerk 32 zugeführt werden, wo es zusammen mit dem positiven Fehlersignal
aus dem Akzelerometer 3 aufaddiert wird, um in das Fehlersignal einen Geschwindigkeits-Ansprechfaktor einzuleiten. Es
hat sich herausgestellt, daß dieses Geschwindigkeits-Rückführsignal bis zu einem gewissen Grade den unerwünschten lö-Ausdruck
unterdrückt, der aus dem Aktuator 2 in das Rückführsignal eingeführt
wurde.
Wenn auch das oben ausgeführte Beispiel der Erfindung im Zusammenhang
mit einer Neigungseinrichtung eines Eisenbahnfahrzeuges beschrieben wurde, so kann es jedoch in Zusammenhang mit Aufhängungen
auch anderer Anwendung finden.
Die Kombination von a) dem Hauptkreis, b) dem zweiten Kreis mit seinem zum Filter des dritten Kreises komplementären, das erforderliche
dynamische Ansprechen herbeiführenden Filter und c) dem dritten Kreis, der von dem Hauptkreis angesteuert ist, ergibt
im oben genannten Ausführungsbeispiel sowie bei anderen Ausführungsformen der Erfindung die folgenden Vorteile:
7 909817/061?
(i) Die Stabilität und die Verstärkungserfordernisse lassen sich unabhängig von anderen Überlegungen erzielen.
(ü) Die dynamischen Anforderungen können durch einfaches
Ändern des Komplementärfilters erzielt werden. Das Aufhängungsansprechen
ist in erster Näherung dasselbe wie dasjenige eines Tiefpassfilters. Dieses Merkmal wird
beispielsweise durch den Ausdruck (g + Is ) verändert
und zeigt, daß physikalische Notwendigkeiten, die dem System aufgeprägt sind, das Prinzip des Regeins nicht
beeinträchtigen.
(iii) Das Ansprechen der Aufhängung auf durch eine Kraft ausgelöste
Eingänge geht sehr schnell vor sich, während das Ansprechen auf von der Schiene her kommende Eingänge,
beispielsweise Θ.., durch das Filter definiert sind. Besondere Beispiele sind (a) ein sehr schnell arbeitendes,
sich selbst einstellendes System und (b) ein Ansprechen auf Rollmomente, welche einem steifen Anti-Roll-Stab ohne
die Nachteile solcher Vorrichtungen entsprechen.
In dem Ausführungsbeispiel wurde ein Geschwindigkeits-Transducer dazu verwendet, die relative Geschwindigkeit zwischen dem Fahrgestell
und einem sich neigenden Bauteil zu messen. Dieser Transducer kann von jeder beliebigen Ausführungsform sein, vorausgesetzt,
daß er ein entsprechendes Frequenzansprechen besitzt. Auch für den allgemeinen Fall gilt in gleicher Weise, daß der
Transducer bezüglich seiner Ausführungsform keine besonderen Erfordernisse erfüllen muß.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Größe QQ durch ein Akzelerometer
gemessen. Auch hier könnte wiederum jede beliebige Vorrichtung verwendet werden, die 9Q mit angemessenem Frequenzansprechen
mißt. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Transducer in dem Hauptkreis eine Spaltmessvorrichtung sein;
für das gesamte.Regelkonzept ist die Ausführungsform des Transducers
jedoch wiederum nicht entscheidend.
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Zusätzliche Kreise können diesem Regelsystem noch hinzugefügt werden, um das System in verschiedenen Hinsichten zu verbessern
oder zu verändern; ein gezeigtes Beispiel ist die Geschwindigkeitsrückführung in das Tiefpassfilter.
Der in der Darstellung mit "Actuator" markierte Kasten enthält zahlreiche Nichtlinearitäten, die insbesondere durch den dritten
Regelkreis geregelt werden. Dieses System läßt sich dahingehend abwandeln, daß es an jede Nichtlinearität mit geeignetem, darum
liegenden Kreis angepaßt werden kann. V/eitere Beispiele können Luftfederverhalten, elektromagnetische Induktanz, der Einfluß
der Elastizität in der Aktuator-Montage usw. sein.
909817/061c
Claims (5)
- PATENTANSPRÜCHEAktive Aufhängung für ein Fahrzeug, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:a) Ein Hauptregelkreis, der einen der Aufhängung zugeordneten Aktuator besitzt und ein Eingangssignal als Maß für einen Aufhängungs-Sollwert empfängt und ein Rückkopplungssignal als Maß für das Ansprechen des genannten Aktuators auf diesen Sollwert abgibt, wobei Eingangs- und Rückführsignal im genannten Kreis miteinander verglichen werden, um ein Fehlersignal zu bilden, das eine Aussage über den Fehler zwischen dem genannten Sollwert und dem Ansprechen (Ausgang) des genannten Aktuators ist, und wobei das Fehlersignal einem Tiefpassfilter eingespeist wird, um das Arbeiten des genannten Aktuators zu regeln;b) ein zweiter Regelkreis zum Erzeugen eines das Arbeiten des genannten Aktuators verzögernden Rückhaltesignals, das aus einem sich mit dem Arbeiten des genannten Aktuators endenden Aufhängungs-Parameter abgeleitet ist und das einem Hochpassfilter eingespeist wird, wobei das Hochpassfilter im wesentlichen oder vorzugsweise komplementär zu dem genannten Tiefpassfilter ist, um eine verzögernde Regelung auf den genannten Aktuator auszuüben, und wobei das genannte Fehlersignal und das genannte Rückhaltesignal jeweils nach dem Durchlaufen des genannten Tiefpassfilters bzw. des genannten Hochpassfilters miteinander verglichen werden, um- ein resultierendes Signal zum Regeln des Aktuators zu schaffen.
- 2. Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Regelkreis vorgesehen ist, der das genannte resultierende Signal in Abhängigkeit von dem Ansprechen des Aktuators auf das resultierende Signal verändert.9098 17/0619J/
- 3. Aufhängung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Rückkopplungssignal abgeleitet wird, das Maß für die Ansprechgeschwindigkeit des genannten Aktuators ist und das das genannte Fehlersignal verändert, bevor dieses dem genannten Tiefpassfilter eingespeist wird.
- K. Aufhängung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer aktiven Neigungsaufhängung eines Eisenbahnfahrzeuges, dessen Fahrzeugkörper relativ zu dem Radsatz geneigt wird, um beim Durchfahren von Kurven Unzulänglichkeiten der Schiene auszugleichen, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator derart gestaltet und angeordnet ist, daß er den Fahrzeugkörper um eine Längsachse zu neigen vermag, und daß das genannte Fehlersignal aus -einem Akzerelometer abgeleitet ist, der auf dem genannten Fahrzeugkörper montiert ist, und der eine seitliche Beschleunigung des genannten Fahrzeugkörpers ermittelt.
- 5. Aufhängungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückhaltesignal aus der Verschiebung des Fahrzeugkörpers abgeleitet wird, die ihrerseits durch den Neigungsaktuator bewirkt wurde.17/061^
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