DE3408292A1

DE3408292A1 - Aktives federungssystem

Info

Publication number: DE3408292A1
Application number: DE19843408292
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. 7300 Esslingen Acker; Robert Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Schüssler
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1985-08-29

Description

Aktives Federungssystem
Die Erfindung betrifft ein aktives Federungs- und Positionierungssystem zur Abstützung eines im wesentlichen starren Körpers, insbesondere eines Fahrzeuges, mit insgesamt n, insbesondere vier rechnergesteuerten Abstützaggregaten, deren vertikale Stützkräfte in Abhängigkeit von der Hubstellung der Abstützaggregate und damit korrelierter Größen steuerbar sind, welche mittels den Abstützaggregaten zugeordneter Sensoren in vom Rechner verarbeitbare Signale umsetzbar sind und/oder in Abhängigkeit vorgebbarer Soll- oder Referenzgrößen oder anderer Bewegungsgrößen steuerbar sind.
Ein derartiges Federungssystem ist aus der DE-OS 32 12 433 bekannt. Hier werden mittels der Sensoren von den Hubstellungen der Abstützaggregate abhängige Signale erzeugt, die sich mit zunehmender Abweichung der Hubstellung von einer Ausgangs- bzw. Ruhelage progressiv ändern. Diese Signale werden nun mittels des Rechners miteinander verglichen, wobei der Rechner das Signal bestimmt, welches dem Abstützaggregat mit der stärksten Abweichung von der Ausgangs- bzw. Ruhelage zugeordnet ist. Daraufhin steuert der Rechner dieses Abstützaggregat im Sinne einer Änderung der jeweiligen Abstützkraft an.
Aus der DE-OS 24 41 172 ist ein weiteres aktives Federungssystem bekannt, bei dem mittels entsprechender Sensoren Signale erzeugt werden, die die Hubstellung der Abstützaggregate sowie die Vertikalbeschleunigungen des gefederten Körpers, d.h. hier des Fahrzeuges, bei den jeweiligen Abstützaggregaten wiedergeben. Daraufhin wird die Dämpfung des Federungssystems derart verändert, daß die Beschleunigungen des gefederten Körpers einem Sollwert angenähert werden, welcher von der Hubstellung der Abstützaggregate abhängig ist.
Die DE-OS 31 01 194 zeigt schließlich ein aktives Federungssystem, bei dem zunächst Signale erzeugt werden, die den Vertikalbeschleunigungen einzelner Radgruppen entsprechen. Aus diesen Signalen werden Werte berechnet, die die jeweils anzustrebende Auslenkung der Abstützaggregate, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Vertikalbeschleunigung des gefederten Körpers, wiedergeben. Daraufhin werden die Abstützaggregate derart angesteuert, daß die gemessene Auslenkung derselben der anzustrebenden Auslenkung angenähert wird.
Diese bekannten aktiven Federungssysteme stimmen insofern miteinander überein, als Vertikalschwingungen des gefederten Körpers nicht unabhängig von Rotationsschwingungen desselben, beispielsweise um dessen Längs- oder Querachse, beeinflußt werden können. Darüber hinaus ist auch das Federungsverhalten bezüglich Rotationsschwingungen um die Querachse nicht unabhängig von dem Federungsverhalten bezüglich Rotationsschwingungen um die Längsachse.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein aktives Federungssystem und Positionierungssystem zu schaffen, bei dem das Federungsverhalten bezüglich Vertikalschwingungen und das Federungsverhalten bezüglich Rotationsschwingungen um die Querachse sowie das Federungsverhalten bezüglich Rotationsschwingungen um die Längsachse voneinander entkoppelt und unabhängig voneinander beeinflußbar sind. Auf ein Fahrzeug übertragen ist die Aufgabenstellung gleichbedeutend damit, daß Federungskräfte, welche den Fahrzeugaufbau in vertikaler Richtung abzustützen bzw. zu bewegen suchen, von Momenten, welche eine Änderung des Nick- oder Wankwinkels zu bewirken suchen, vollständig entkoppelt sind; in entsprechender Weise sollen Momente, die den Nick-oder Wankwinkel zu ändern suchen, voneinander entkoppelt sein.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß a) die Sensoren zur jeweiligen Hubstellung der zugeordneten Abstützaggregate etwa proportionale Signale xi, wobei i = 1 bis n, erzeugen, b) der Rechner einen zumindest 3-dimensionalen, jedoch vorzugsweise n-dimensionalen Zustandsvektor u berechnet, dessen Komponenten (u.,i = 1 bis n) von den gemessenen Signalen xi, welche einen n-dimensionalen Meßvektor x bilden, wie folgt abhängen:

X1 1 a1 b1 ""." m1 u1

X2 1 a2 b2 ...... m2 U2

X3 = 1 a3 b3 ' m3 * u3

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Xn 1 an b n mn un

wobei die Elemente a. und b. (i = 1 bis n) 1 1 der den Zustandsvektor u auf den Meßvektor x abbildenden Matrix T die vorzeichenbehafteten Abstände des i-ten Abstützaggregates von der Querachse bzw. Längsachse des gefederten Körpers sind und das jeweilige Vorzeichen davon abhängt, auf welcher Seite der Längs- bzw. Querachse das jeweilige Abstützaggregat angeordnet ist, und wobei die übrigen Matrixelemente beliebig derart gewählt sind, daß die Matrix T regulär und quadratisch (und damit invertierbar) ist.
c) der Rechner einen n-dimensionalen Stützkraftvektor K berechnet, dessen Komponenten K.
(i = 1 bis n) die jeweils einzustellenden Stützkräfte der Abstützaggregate umkehrbar eindeutig wiedergeben und von den Komponenten F.
eines Stellkraftvektors F wie folgt abhängen:

# F1 # # 1 1 ....... 1 K1 1

F2 a1 a2 ...... an K2

F3 = b1 b2 ....... bn * K3

. . . . .

. . . . .

Fn J m1 m2 mn Kn

wobei die den Stützkraftvektor K auf den Stellkraftvektor F abbildende Matrix S bei im übrigen frei wählbaren Matrixelementen in den 4-ten bis n-ten Zeilen quadratisch und regulär (und damit invertierbar) ist, d) jede Komponente F. des Stellkraftvektors F jeweils eine vorgebbare Funktion ist, die ausschließlich von der Abweichung w. = u - u 1 j isoll der entsprechenden Komponente ui des Zustandsvektors u von ihrem Sollwert uiSOll und/oder von den Zeitableitungen und/oder den Zeitintegralen, z.B. d2w /dtL dwi/dt, etc.
der entsprechenden Abweichung wi abhängt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Komponenten u1 bis u3 des Zustandsvektors u eine gemittelte Höhenlage des gefederten Körpers bzw. des Fahrzeuges gegenüber dem Untergrund sowie einen gemittelten Nickwinkel und einen gemittelten Wankwinkel, jeweils bezogen auf den Untergrund, wiedergeben. Die Komponenten F1 bis F3 des Stellkraftvektors geben Kräfte bzw. Momente wieder, die den gefederten Körper im Sinne einer rein translatorischen Vertikalbewegung bzw. im Sinne einer reinen Rotationsbewegung unter Änderung des Nickwinkels bzw. im Sinne einer reinen Rotationsbewegung unter Änderung des Wankwinkels zu bewegen suchen. Wenn nun diese Kräfte bzw. Momente, beispielsweise durch Kennfeldsteuerung, derart festgelegt werden, daß sie ausschließlich von der mittleren Möhenlage, dem Nickwinkel bzw. dem Wankwinkel zugeordneten Komponenten des Zustandsvektors u bzw. entsprechenden vorgebbaren Sollwerten u5011 abhängiy sind, so werden Bewegungen des Aufbaues in Richtung der Vertikalen bzw. Schwenkbewequllgen bezüglich der Längs- oder Querachse vollständig unabhängig voneinander bceinflußt. Da die Matrix S invertierbar ist, wird die vollständig entkoppelte Beeinflussung von Hubbewegungen, Nickbewegungen und Wankbewegungen des gefederten und/oder zu positionierenden Körpers bzw. des Fahrzeuges gewährleistet, wenn die Stützkräfte der Abstützaggregate entsprechend den Komponenten K. des Stützkraftvektors eingestellt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines vierrädrigen Fahrzeuges unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 in schematisierter Darstellung das Fahrzeug sowie Fig. 2 ein Funktionsschema, welches die Arbeitsweise des erfindungsgemäßeI Federunssystemes wiedergibt.
Gemäß Figur 1 besitzt das Fahrzeug eine Längsachse L sowie eine Querachse Q, die einander im Schwerpunkt des Fahrzeugaufbaues schneiden. Die Räder 1 bis 4 des Fahrzeuges sind gegenüber dem Aufbau mit Abstützaggregaten abgestützL, die von einen nicht dargestellten Rechner gesteuert: werden und mittels des Itccllllers auf unterschiedliche Stützkräft:e K1 bis K4 einstellbar sind.
Diese Abstützaggregate weisen von der Längsachse L die Abstände b bzw. b' und von der Querachse Q die Abstände a bzw. a' auf. Diese Abstände sind mit der Lage des Aufbauschwerpunktes, d.h. mit dem Beladungszustand veränderlich und sollten möglichst genau angegeben werden können, beispielsweise durch Angabe von Auslegungswerten oder - vorzugsweise - aus Messung der Stützkräfte im statischen all für den jeweiligen Beladungszustand. Die Hubstellung der leider 1 bis 4 bzw. der dieselben gegenüber dem Fahrzeugaufbau abstützenden Abstützaggregate wird durch die Abstände x1 bis x4 zwischen den Rädern 1 bis 4 und dem Fahrzeugaufbau wiedergegeben.
Aus den Abständen x1 bis X4, die die Komponenten eines vierdimensionalen Meßvektors x bilden, kann aus folgendem Gleichungssystem ein vierdimensionaler Zustandsvektor u berechnet werden:

# x1 # # 1 -a b' 1 # # u1 #

X2 1 -a -b' -1 u2

=

x3 1 a' -b 1 u3

x4 1 a' b -1 u4

Die den Vektor u gemäß x = T.u auf den Vektor x abbildende Matrix T ist regulär und quadratisch und damit invertierbar. Die Komponente ul entspricht einem gemittelten Bodenabstand des Fahrzeugaufbaues; die Komponente u2 entspricht einem gemittelten Nickwinkel des Fahrzeugaufbaues, d.h. einer Schrägstellung der Längsachse L gegenüber dem Untergrund; die Komponente u3 gibt einen gemittelten Wankwinkel wieder, d.h. eine Schräg- stellung der Querachse Q relativ zum Untergrund; die Komponente u4 ist ein Maß für die Relativlage der Räder zueinander, bei der dargestellten Wahl der Matrixelemente in der vierten Spalte gibt diese Maßzahl an, inwieweit das erste und dritte Rad gegenüber dem zweiten und vierten Rad angehoben bzw. abgcscnkt sind. Die Vorzeichen der Matrixelemente in der zweiten und dritL-en Spalte hängen davon ab, auf welcher Seite der Querachse Q bzw. auf welcher Seite der Längsachse L die Räder 1 bis 4 angeordnet sind. Im dargestellten 13beispiel erhalten die ersten beiden Elemente der zweiten Spalte gegenüber den letzten beiden Elementen ein unterschiedliches Vorzeichen, weil die ersten und zweiten Räder hinter und die dritten und vierten Räder vor der Querachse Q angeordnet sind.
In entsprechender Weise haben das erste und vierte Element der dritten Spalte ein anderes Vorzeichen als das zweite und dritte Element der dritten Spalte, weil die ersten und vierten Räder auf einer anderen Seite der Längsachse L als die zweiten und dritten Räder angeordnet sind.
Die Matrixelemente der vierten Spalte werden vorzuysweise derart gewählt, daß die Matrix invertierbar ist, um eine umkehrbar eindeutige Abbildung der Vektoren x und u aufeinander zu gewährleisten. Beispielsweise ist es auch möglich, alle Elemente der vierten Spalte mit Ausnahme eines einzigen Elementes als Null zu wählen.
Die Komponenten des Vektors x können mittels nicht dargestellter Sensoren, d.h. Abstandsmcßgliedern zwischen Radaufhängung und Aufbau gemessen und damit mittels des Rechners unter Ausführung der Multijplikation mit der ZU T inversen Matrix, welche in Figur 2 durch T 1 symbolisiert wird, gemäß u = T x in die Kom)onenten des Zu- standsvektors u umgerechnet werden. Die Werte u1 bis u4, die Komponenten des genannten Zustandsvektors u, können noch gegebenenfalls gefiltert werden, um Kurzzeitschwankungen dieser aus Meßwerten abgeleiteten Werte zu unterdrücken.
Nunmehr werden die Komponenten des Zustandsvektors u, d.h. die Werte u1 bis u4,mit ihren vorgebbaren Sollwerten u1soll bis u4soll verglichen und die sich ergebenden Abweichungen w1 = U1soll -U1 bis w3 = U3soll - u3, W4 = - u4, d.h. der Vektor w der Abweichungen,zur Bestimmung eines Stellkraftvektors F mittels vorgebbarer Funktionen f = (f1,f2,f3,f4) transformiert.
Dabei bestimnlt der Rechner den Stellkraftvektor F als Funktion des Vektors der Abweichungen w derart, daß die Komponenten F1 bis F4 dieses Vektors ausschließlich von denjenigen Komponenten des Vektors w abhängen, die den gleichen Index aufweisen, d.h. F. = fi (...,wi,...), wobei i = 1 bis 4. Dabei hängen die Komponenten F1,F2 bzw. F3 in der Regel differentiell, proportional und integral von dem jeweils zugeordneten Komponenten w1 ,w2 bzw. w3 ab, d.h. neben dem augenblicklichen Wert der jeweiligen Komponente w1 bis w3 ist auch eine Abhängigkeit von der jeweiligen zeitlichen Ableitung erster oder höherer Ordnung und vom Wert des einfachen oder mehrfachen Zeitintegrals gegeben, d.h. beispielsweise von du1/dt, usw. und u1dt usw. Insbesondere wird durch die Verwendung der integralen Anteile eine genaue Positionierung der Lage des Fahrzeugaufbaues auch bei veränderlicher Aufbaumasse entsprechend vorgebbaren Sollwerten ermöglicht, etwa zur Niveauregulierung oder zur Beeinflussung der Kurvenneigung usw.
Die Komponente F4 ist vorzugsweise ausschließlich von Zeitableitungen der Komponente u4 abhängig, d.h. cs ist u45011 = 0 und es besteht keinerlei proportionale und integrale Abhängigkeit.
Nunmehr errechnet der Rechner einen Stützkraftvektor K, dessen Komponenten den nachfolgend an den Abstützaggregaten einzustellenden Abstützkräften K1 bis K4 entsprechen.
Dabei sind die Vektoren F und K mittels einer Matrix S verknüpft, d.h.:

F1 1 1 1 1 K1

F2 -a -a a' a' K2

*

F3 b' -b' -b b K3

F4 1 -1 1 -1 K

Da die Matrix S regulär und quadratisch und damit invertierbar ist, kann diese Transformation ohne weiteres explizit nach den Komponenten K. , wobei i = 1 bis 4 aufgelöst werden, d.h. die Komponenten des Vektors K lassen sich bestimmen gemäß K = S 1F.
Wenn der Rechner nunmehr die Abstützkräfte der Abstützaggregate entsprechend den errechneten Werten K1 bis K4 einstellt, so bewirkt dies in der Regel wiederum eine änderung der Abstände x1 bis X4. Außerdem wirken auf die Abstützaggregate Störkräfte cin, die zu einer weiteren Änderung der Abstände x1 bis X4 führen. Somit wird der geschilderte Ablauf mit den neuen Werten von x1 bis X4 wiederholt.
Das dargestellte aktive Federungs- und Positionierungssystem hat den besonderen Vorzug, daß die Rückstellkräfte bzw. -momente, welche änderungen des Bodenabstandes des Fahrzeuges senkrecht zum Untergrund sowie Neigungen des Fahrzeugaufbaues, d.h. Nick- oder Wankwinkel, zurückzustellen suchen, voneinander entkoppelt sind, da die Komponenten F1 bis F3 voneinander unabhängige, einander nicht: beeinflussende Kräfte bzw. Momente darstellen.
Die von diesen Kräften bzw. Momenten unabhängige Komponente F4 bestimmt die Dämpfung von Radbewegungen, wiederum unabhängig von den Komponenten F1 bis F Dabei ist F4 ausschließlich von der zeitlichen Änderung der Komponente u4 des Zustandsvektors u abhängig, welche die Relativlage der Räder zueinander wiedergibt. Die Dämpfungscharakteristik kann unabhängig von den anderen zu regelnden Größen vorgegeben werden.
Durch entsprechende Wahl der Kennlinien ist es beispielsweise möglich, ein Verhalten zu erzielen, wie es in ähnlicher Weise bei einem Luftkissenfahrzeug vorliegt.

Claims

Ansprüche 1. Aktives Federungssystem zur Abstützuny und Positionierung (Niveauregulierung, Aufbauneigung um Quer-und Längsachse) eines im wesentlichen starren Körpers, insbesondere eines Fahrzeuges, mit insgesamt n, insbesondere vier rechnergesteuerten Abstützaggregaten, deren vertikale Stützkräfte insbesondere in Abhängigkeit von der Hubstellung oder damit korrelierter Größen steuerbar sind, welche mittels den Abstützaggregaten zugeordneter Sensoren in vom Rechner verarbeitbare Signale umsetzbar sind, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß a) die Sensoren zur jeweiligen Hubstellung der zugeordneten Abstützaggregate etwa proportionale Signale (xi,i = 1 bis n) erzeugen, b) der Rechner einen zumindest 3-dimensionalen, jedoch vorzugsweise n-dimensionalen Zustandsvektor (u) berechnet, dessen Komponenten (ui,i = 1 bis n) von den gemessenen Signalen (xi), welche einen n-dimensionalen Meßvektor (x) bilden, wie folgt abhängen: # x1 # # 1 a1 b1 ....... m1 # # u1 # X2 1 a2 b2 ........ m2 U2 X3 = 1 a3 b3 .......... m3 * u3 . . . . . . Xn 1 an bn mn Un

wobei die Elemente a. und b. (i = 1 bis n) 1 1 der den Zustandsvektor (u) auf den Meßvektor (x) abbildenden Matrix T die Abstände des i-ten Abstützaggregates von der Querachse (Q) bzw.

Längsachse (L) des gefederten Körpers sind und das jeweilige Vorzeichen davon abhängt, auf welcher Seite der Längs- bzw. Querachse (L,Q) da>s jeweilige Abstützaggregat angeordnet ist, und wobei die übrigen Matrixelemente (mi) beliebig, vorzugsweise jedoch derart gewählt sind, daß die Matrix (T) regulär und quadratisch (und damit invertierbar) ist, c) der Rechner einen n-dimensionalen Stützkraftvektor (K) berechnet, dessen Komponenten (Ki,i = 1 bis n) die jeweils einzustellenden Stützkräfte der Abstützaggregate umkehrbar eindeutig wiedergeben und von den Komponenten (Fi,i = 1 bis n) eines Stellkraftvektors (F) wie folgt abhängen: 0 F1 1 1 1 ....... 1 K1 1 F2 a1 a2 ....... an K2 F3 = b1 b2 ....... bn * K3 Fn J 1 m2 rn2 mn

wobei die den Stützkraftvektor (K) auf den Stellkraftvektor (F) abbildende Matrix (S) bei im übrigen frei wählbaren Matrixelementen in den 4-ten bis n-ten Zeilen quadratisch und regulär und damit invertierbar ist, d) jede Komponente (Fi) des Stelkraftvektors (F) jeweils eine vorgebbare Funktion ist, die ausschließlich von der Abweichung(w. = ui - uiSOll) der entsprechenden Komponente (ui) des Zustandsvektors (u) von ihrem Sollwert (ui soll) und/oder von den Zeitableitungen und/oder den Zeitintegralen (...d²wi/dt²,dwi/dt,wi, der entsprechenden Abweichung (w.) abhängt.
2. Aktives Federungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch derart für die Komponenten (Fi) des Stellkraftvektors (F) vorgegebene Funktionen, daß die Werte dieser Funktionen sich für kleine Abweichungen(in der Komponente w. von ihrem Sollwert uiSOll)nur schwach ändern, jedoch für große Abweichungen progressiv anwachsen bzw. abfallen.
3. Aktives Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Funktionen(F4 bis Fn )vorzugsweise jeweils nur von Zeitableitungen der zugeordneten Komponenten(u4 bis un) des Zustandsvektors(u)abhängen.