DE3928343A1

DE3928343A1 - Anordnung zur aktiven fahrwerksdaempfung (afd)

Info

Publication number: DE3928343A1
Application number: DE19893928343
Authority: DE
Inventors: Dirk Prof Dr Ing Jansen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-08-26
Filing date: 1989-08-26
Publication date: 1991-02-28

Description

Problemstellung

Fahrzeuge sind in ihrem Fahrwerk heute durchweg mit einer Kombination von Federung und Stoßdämpfern aus gerüstet. Federsteifigkeit und Dämpfungsverhalten sind dabei so abgestimmt, daß sich für ein gegebenes Fahr zeuggewicht ein günstiges Dämpfungsverhalten bzw. möglichst hoher Federungskomfort in dem Sinne ergibt, daß die durch die Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen Stöße auf die Karosserie abgefangen und sich daraus ergebende Eigenschwingungen des Feder-Masse-Systems Fahrzeugs möglichst gedämpft werden.

Es ist deshalb Stand der Technik, den Stoßdämpfer so auszulegen, daß er beim Einfedern nur eine geringe Gegenkraft Fd1, beim Ausfedern jedoch eine größere Gegenkraft Fd2<Fd1 aufbringt, so daß es zusammen mit der Fahrzeugmasse zu einer stark gedämpften Schwingung kommt.

Für die Auslegung der von Federkonstante c und Dämpferkenngrößen Fd1, Fd2 ist neben der Fahrzeugmasse und dem gewünschten Federungskomfort vor allem der erwartete Einsatzbereich des Fahrzeugs maßgebend. So werden sportliche Fahrzeuge für hohe Geschwindigkeit mit relativ harter Federung und starker Dämpfung ausgelegt, Limousinen dagegen mit besonders weicher Federung und dafür geringer Dämpfung, was zu einem merklichen "Nachschaukeln" der Karosserie nach Anregung durch einen Stoß führt.

Alle diese eingeführten Systeme sind dadurch gekennzeichnet, daß Federung und Stoßdämpfer in ihrem einmal eingestellten Verhalten fest sind.

Diese fixe Auslegung des Fahrwerks führt nun bei Fahrzeugen, deren Eigengewicht aufgrund der Zuladung sehr starken Änderungen unterliegt, z. B. Lastkraftwagen und LKW-Anhänger, zu einem unerwünschten Verhal ten des Fahrwerks insbesondere im im unbeladenen Zustand, da die Dämpferauslegung ja für den maximalen Ladezustand erfolgen muß. Dies äußert sich in einem Springen der Räder bei Bodenwellen, was zu mangelndem Bodenkontakt und damit zu einer Verringerung der Fahrsicherheit führt. Bei LKW kann dies bei unbeladenen An hängern leicht beobachtet werden. Auf unbefestigten Wegen führt dies zur Bildung der berüchtigten "Waschbrett"- Deformationen der Fahrbahn, letztlich mit erheblichen Folgekosten.

Bei Omnibussen steht der Fahrgastkomfort im Vordergrund. Nicht optimale Abstimmung der Fahrwerksdäm pfung führt hier zu einem Schaukeln der Karosserie (Nickbewegung) bei Bodenwellen, was bei empfindlichen Fahrgästen Unwohlsein hervorrufen kann.

Auch bei modernen sportlichen Limousinen wäre eine Anpassung der Fahrwerksdämpfung an die Straßenverhält nisse von Gewinn für die Fahrzeugsicherheit wie für den Komfort, da die Bodenhaftung des Fahrzeugs hierdurch maßgeblich bestimmt wird.

Gegenstand der Erfindung

Die oben dargestellten Mißstände können abgestellt werden, wenn von dem Prinzip einer festen Einstellung der Fahrzeugdämpfung abgegangen wird und statt dessen eine aktiv geregelte Fahrwerksdämpfung verwendet wird, wie sie im folgenden beschrieben wird:

Der Stoßdämpfer wird dazu durch eine neuartige Ausführung 1 (Abb. 1) ersetzt, bei der die Dämpfung elektrisch einstellbar ist. Dies kann z. B. durch ein elektrisch einstellbares Nadelventil 5 erfolgen, welches die Öffnung 6 zwischen den beiden Kammern des hydraulischen Dämpfers vergrößern oder verkleinern vermag, so daß sich unterschiedliche Dämpfungskräfte ergeben. Diese Einstellung der Dämpfung erfolgt sehr schnell (innerhalb von msec), da das Nadelventil hierfür nur einen kleinen Hub benötigt. Der einstellbare Dämpfungsspielraum Fd2 - Fd1 soll gegenüber heute gebräuchlichen Stoßdämpfern deutlich vergrößert sein.

Der Stoßdämpfer ist zusätzlich mit einem Wegaufnehmer 7 üblicher Bauart ausgerüstet, welcher die Position des Hubzylinders, d. h. die Auszuglänge des Dämpfers elektrisch auszulesen gestattet. Die äußere Form des Dämpfers soll dabei nur unwesentlich verändert sein, so daß in den meisten Fällen eine direkte Austauschbarkeit mit exi stierenden festen Stoßdämpfern gegeben ist. Der neuartige Stoßdämpfer verfügt zusätzlich über einen elektrischen Stecker 8 auf der Seite, die der Karosserie zugewendet ist, über den sowohl das Ventil ansteuerbar als auch der Wegaufnehmer elektrisch abgreifbar sind.

Als Wegaufnehmer können sowohl potentiometrische als auch induktive Aufnehmer als auch andere Prinzipien verwendet werden, wenn sie

- eine unmittelbare Auslesung der Auszuglänge erlauben,
- ein stetiges Ausgangssignal proportional zum Auszugweg des Stoßdämpfers liefern,
- die notwendige Zuverlässigkeit und Miniaturisierung aufweisen.

Die genaue technische Ausführung des Stoßdämpfers ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.

In der Nähe der Fahrwerksaufhängung (Abb. 2) des betreffenden Rades wird jeweils ein Beschleunigungsmes ser 13, 14, 15, 16 an der Karosserie befestigt, dessen empfindliche Achse senkrecht angeordnet ist. Der Beschleu nigungsmesser soll Beschleunigungen bei ca. dem 3fachen der Erdbeschleunigung bei einem Auflösungsvermö gen von ca. 5% der Erdbeschleunigung messen können. Geeignet sind hierzu übliche piezoelektrische B-Messer oder Ausführungen mit Dehnungsmeßstreifen oder andere geeignete Prinzipien. Eine inertiale Qualität wird nicht benötigt, das Nullpunktverhalten ist von untergeordneter Bedeutung. Aufnehmer dieser Anforderungen sind Stand der Technik.

Die 4 Beschleunigungsmesser und die 4 elektrisch steuerbaren Stoßdämpfer 9, 10, 11, 12 sind über Kabel mit einer elektrischen Steuerung 17 verbunden, die zentral im Fahrzeug angeordnet ist. Je nach Ausführung dieser Steuerung, die mit einem Mikroprozessor und geeigneten Algorithmen ausgerüstet ist, ergeben sich unter schiedliche Eigenschaften der aktiven Fahrwerksdämpfung, wie sie im folgenden näher beschrieben sind.

In einigen Ausführungen ist noch eine Handvorgabe von Parametern durch Bedienelemente, die z. B. am Arma turenbrett des Fahrzeugs angeordnet sind, erforderlich. So ist z. B. bei einer Limousinen-Ausführung die Vorgabe "sportlich", "normal" oder "komfortabel" entsprechend einer hart, normal oder weichen Fahrwerksdämpfung denkbar. Bei einer LKW-Ausführung kommt eine Umschaltung zwischen "beladen" und "leer" in Frage.

Die Steuerung ist bei laufendem Motor des Fahrzeugs bzw. aktivierter elektrischer Anlage ständig in Betrieb. Die Steuerung ist hochzuverlässig ausgeführt. Die elektrisch steuerbaren Stoßdämpfer sind so ausgeführt, daß bei einem Ausfall der Stromversorgung sich eine hohe Dämpfung einstellt, was einem sicheren Ausfallverhalten entspricht.

Im folgenden sind die Prinzipien der Signalauswertung für die drei unterschiedlichen Ausführungen der elek trischen Fahrwerksdämpfung beschrieben.

Grundausführung I

In der einfachen Ausführung werden die Stoßdämpfer in genau gleicher Weise geregelt, wie dies auch bisher bei fester Einstellung erfolgte, d. h. beim Einfedern wird das Ventil geöffnet, beim Ausziehen bis auf einen vor gegebenen Wert geschlossen, so daß die gewünschte unterschiedliche Dämpfungskraft Fd2 < Fd1 entsteht (Abb. 3). Das Öffnen und Schließen wird dabei von der Richtungsänderung des Wegaufnehmersignals 19 abgeleitet, was einfach durch differenzieren dieses Signals erfolgen kann. Das Signal wird anschließend begrenzt 21 auf den Betrag 1. Bei positivem Vorzeichen wird nun mit dem vorgegebenen Sollwert fd1, bei negativem Vorzeichen mit dem Sollwert fd2 multipliziert 22, 23. Der Verstärker 24 paßt dieses Signal linear an das elektrische Ventil an, welches damit eine entsprechende richtungsabhängige Dämpfungskraft FD2 < Fd1 hervorruft. Die Parameter fd1 und fd2 können in bekannter Weise, z. B. durch Potentiometer, Schalter usw. vorgegeben werden.

Das vorgestellte Verfahren kann in gleicher Weise auch rein digital ausgeführt sein, wobei die Differenzierung durch die Differenzbildung zweier aufeinanderfolgender Meßwerte erfolgt, wobei nur das Vorzeichen ausgewertet wird. Die digitale Realisierung des Blockschaltbildes kann als bekannt vorausgesetzt werden.

Die Beschleunigungsmesser sind in dieser Grundversion nicht erforderlich. Da jedoch die Kennwerte des Dämp fers nun elektrisch einstellbar sind, stellt bereits diese Grundversion I gegenüber dem bisherigen Stand eine deutliche Verbesserung dar. So ist diese Ausführung bereits für LKW-Anhänger ausreichend, wenn die Nenn wertvorgabe durch Bedienelemente (z. B. Hebel) erfolgt. Da keine B-Messer benötigt werden und die Elektronik relativ einfach ist, ist diese Ausführung zudem sehr kostengünstig.

Version II: Automatische Anpassung der Fahrwerksdämpfung

Das von den Wegaufnehmern 26-29 kommende Signal enthält Informationen über die Unebenheit der Straße, insbesondere über die Rauhigkeit des Fahrbahnbelags, Bodenwellen usw. sowie im niederfrequenten Bereich auch über die Eigenschwingungen der Karosserie, die vor allem dann deutlich herauszufiltern sind, wenn die Signale mehrerer Aufnehmer zusammengefaßt werden. So sind Nickbewegungen durch jeweils gegenläufige Hübe der Stoßdämpfer der Vorder- und Hinterachse zu detektieren, Rollbewegungen durch gegenläufige Hübe der linken bzw. rechten Stoßdämpfer. Demgegenüber wirken sich Bodenwellen nahezu unabhängig auf die einzelnen Räder aus.

Mit modernen Signalverarbeitungsverfahren (digitale Filter, Systemidentifikation) sind damit Fahrzeugbewe gungen und Fahrbahneinfluß voneinander im statistischen Sinne trennbar.

Im einfachsten Fall kann diese Information dazu genutzt werden, die Kennwerte Fd1 und Fd2 der Stoßdämpfer gemäß der Grundausführung auf die für die jeweilige Fahrbahn erfahrungsgemäß besten Werte automatisch einzustellen, wobei der Ladezustand des Fahrzeugs und das daraus resultierende Dämpfungsverhalten aus dem Schwingungsverhalten kontinuierlich ermittelt wird und im Sinne einer adaptiven Regelung auf das gewünschte Sollverhalten gebracht wird.

Dazu wird in einem Signalprozessor 30 der Anteil der Eigendynamik von dem Anteil, der durch die Fahrbahn hervorgerufen wird, frequenzmäßig und statistisch getrennt. Der Eigenanteil wird bewertet 31 bezüglich des gewünschten Dämpfungsverhaltens. In gleicher Weise wird auch der i. a. höherfrequente Fahrbahnanteil einer Bewertung 32 unterzogen. Aus beiden so gewonnenen bewerteten Signalen werden z. B. aus einer Tabelle die günstigsten Dämpferkennwerte Fd1, Fd2 abgeleitet, die wieder dem Grundregler gemäß Version I zugeführt werden. Dabei sind, über das in der Zeichnung dargestellte hinausgehend, auch unterschiedliche Werte Fd1, Fd2 für jede zu dämpfende Achse möglich.

Die Ausführung dieser Elektronik erfolgt weitgehend digital in einem Signalprozessor, wobei die einzelnen Signalverarbeitungsblöcke räumlich nicht mehr trennbar sind. Die anzuwendenden Verfahren der digitalen Si gnalverarbeitung können als bekannt vorausgesetzt werden.

Auch dieses System benötigt noch nicht die Information der Beschleunigungsmesser, ist jedoch elektronisch er heblich aufwendiger. Bezüglich der Anpassung der Fahrwerksdämpfung an Fahrbahn und Ladezustand ist es gegenüber der Grundversion wesentlich verbessert. Es eignet sich z. B. für den Einbau in sportliche Komfort limousinen, wo es zur Fahrsicherheit beiträgt.

Version III: Karosseriestabilisierung durch zeitvariable Dämpfung

Die im folgenden beschriebene Ausführung der elektronischen Steuerung baut auf der Steuerung der Version II auf und benutzt zusätzlich noch die Information der Beschleunigungsmesser. Es ist Ziel der Steuerungselek tronik, die 4 elektrisch steuerbaren Stoßdämpfer so anzusteuern, daß sich ein Minimum an Beschleu nigungen auf die Karosserie ergibt, insbesondere jedoch niederfrequente Schaukelbewegungen in Nick- und Rollachse weitgehend unterdrückt werden. Gleichzeitig ergibt sich für diesen Fall auch eine optimale Bodenhaftung der Räder, so daß Komfortsteigerung und Verbesserung der Fahrsicherheit zusammenkommen.

Die Karosserie verhält sich dabei vom Prinzip her ähnlich einer stabilisierten Plattform, wie dies aus anderen Anwendungen bekannt ist. Bei diesen anderen Anwendungen wird zur Stabilisierung z. B. ein aktives hydrauli sches Servosystem eingesetzt, wobei erhebliche Steuerleistung aufzubringen ist.

Die vorliegende Erfindung geht von der Tatsache aus, daß bei normalen Fahrbahnverhältnissen diese Steuerleistung weitgehend als Blindleistung anfällt und durch die Federung abgefangen wird. Die übrig bleibenden Stellkräfte können nun vorteilhaft durch Gleichrichtung der hochfrequenten Fahrwerksschwingun gen aufgrund von Bodenunebenheiten gewonnen werden. Hierzu wird die Dämpfung des Stoßdämpfers mit geeigneter Frequenz und Phase moduliert. Bei positiven Stößen wird z. B. der Dämpfer mit geringer Gegenkraft bei offenem Nadelventil zusammengeschoben, während der Auszug durch Schließen des Ventils vollkommen verhindert werden kann. Nach wenigen Stößen wird der Dämpfer bis zum Anschlag eingeschoben sein. In umgekehrter Richtung kann bei gegenphasiger Ansteuerung der Dämpfer bis zum Anschlag durch die Feder kraft ausgezogen werden.

Dies funktioniert solange, wie Fahrbahnunebenheiten zu einer Fahrwerksschwingung beitragen, deren Frequenz erheblich über der Eigenschwingungsfrequenz der Karosserie liegt. Auch bei anscheinend glatter Straße kann eine solche Schwingung leicht beobachtet werden. Nur bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten auf sehr glatten Fahrbahnen wird diese Bedingung verletzt. In diesen Fällen besteht allerdings auch kein Stabilisie rungsbedarf.

Der elektrisch steuerbare Stoßdämpfer kann als in Zusammenwirkung mit der Federung als ein Stellelement verwendet werden, dessen Betriebsenergie aus den höherfrequenten Fahrwerksschwingungen entnommen wird und dessen Stellkraft elektrisch regelbar ist. Ein solches Stellelement steht somit an allen 4 Rädern zur Verfügung und kann somit zur Winkelregelung der Karosserie eingesetzt werden.

Es ist nun Aufgabe einer übergeordneten Regelung, diese Stellelemente so anzusteuern, daß

- die Karosserie im zeitlichen Mittelwert in Ruhe bleibt,
- die auf die Karosserie wirkenden Beschleunigungen im Frequenzbereich der Eigenschwingungen des Fahrzeugs minimal werden,
- ein möglichst hoher Komfort für die Insassen erreicht wird.

Der letzte Punkt unterliegt stark subjektiver Bewertung und erfordert eine Anpassung der Steuerparameter an das Fahrzeug und die erwarteten Straßenverhältnisse und ist nur durch umfangreiche Erprobung zu optimieren. Die Gewinnung dieser Parameter und ihre Optimierung ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Es ist ferner nicht zu erwarten, daß mit den hier beschriebenen Mitteln eine vollständige Isolation der Karosserie von den Fahrbahnunebenheiten nicht erreicht werden kann. Hierfür ist die Vielgestaltigkeit der Fahrbahn, lang gestreckte Bodenwellen, Kurven und Fahrbahnschräglagen, zu unterschiedlich und so nieder frequent, daß eine Unterdrückung weder möglich noch wünschenswert ist. Zudem ist der Stellbereich der Dämpfer mit ca. 50% des Federweges zu klein, um größere Bodenunebenheiten ausgleichen zu können. Im Bereich normaler Straßen ist jedoch eine spürbare Komfort- und Sicherheitssteuerung zu erzielen, die in Verbindung mit weiteren Sensoren (z. B. Drehgeschwindigkeitsaufnehmer) noch gesteigert werden kann.

Die Ausführung III wird im folgenden näher beschrieben:

In Abb. 4 ist ein grobes Blockschaltbild dargestellt. Die Signale der Wegaufnehmer 42-45 werden einem Verar beitungsblock 50 zugeführt, der einerseits eine Systemidentifikation im Sinne einer Ermittlung des Eigenschwin gungsverhaltens durchführt, andererseits die Fahrbahnunebenheiten ermittelt und einer Bewertung zuführt.

Die Signale der Beschleunigungsmesser werden in einem Verarbeitungsblock 51 zu inertialen Hilfsgrößen wei terverarbeitet, z. B. integriert und durch Differenzbildung die Drehbeschleunigungen bzw. Drehgeschwindig keiten geschätzt. Zusätzlich wird noch eine Bandpaßfilterung zur Abtrennung des interessierenden Frequenz bereichs von Vibrationen einerseits als auch langsamen Fahrzeugbewegungen andererseits durchgeführt.

Die Signale 52 und 53 von Block 50 und 51 zusammengenommen beschreiben den Fahrzeugzustand im rege lungstechnischen Sinne. In diesem digitalen Zustandsregler 55 wird nun auf ein Minimum der beobachteten Be schleunigungen 46 . . . 49 im zeitlichen Mittel und im betrachteten Frquenzbereich geregelt. Zur Gewinnung des Ansteuersignals für die Ventile in den 4 Stoßdämpfern 57 . . . 60 wird die in Block 50 gewonnene Fahrbahnmodu lation verwendet.

Die Verarbeitungsblöcke 50, 51 und 55 sind in einem digitalen Signalprozessor realisiert, der über D/A-Wand ler und Verstärker 56 schließlich die Ventile ansteuert.

Claims

1. Anordnung zur aktiven Fahrwerksdämpfung, enthaltend

(a) vier elektrisch ansteuerbare Stoßdämpfer
(b) einem elektrischen Ventil in jedem Stoßdämpfer, mit dem die wirksame Dämpfungskraft elektrisch vorgegeben werden kann,
(c) einem elektrischen Wegaufnehmer in jedem Stoßdämpfer, an dem der Auszugweg elektrisch abgegriffen werden kann,
(d) vier Beschleunigungsmesser auf der Karosserie in der Nähe der jeweiligen Radaufhängung, montiert mit der empfindlichen Achse in senkrechter Richtung,
(e) einer zentralen Steuerelektronik, die die Signale der Wegaufnehmer und Beschleunigungsmesser auswertet und signalverarbeitende Mittel enthält, durch welche die Ventile in den Stoßdämpfern angesteuert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

(f) die Signalverarbeitung Verfahren enthält, die eine Identifikation des Eigenschwingungsverhaltens erlauben,
(g) die Signalverarbeitung eine Bewertung der Fahrbahnanregungen enthält,
(h) hieraus Signale zur Ansteuerung der Ventile in den Stoßdämpfern gewonnen werden, die eine erwünschte Dämpfung der Fahrzeugeigenschwingungen bewirken.

2. Anordnung zur aktiven Fahrzeugdämpfung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Signalverarbeitung zusätzliche Maßnahmen enthält, die eine Regelung der Karosseriebewegun gen auf ein Minimum an Beschleunigungen in einem begrenzten Frequenzbereich bewirkt,
(b) die Signalverarbeitung eine weitgehende Entkopplung der Karosserie von den Fahrbahnunebenhei ten dadurch bewirkt, daß die Stoßdämpfer in Zusammenwirkung mit der Federung und höherfrequenter Anregung als Stellelemente verwendet werden.

3. Anordnung zur aktiven Fahrzeugdämpfung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Eingabemittel vorhanden sind, um ein gewünschtes Dämpfungsverhalten hervorzurufen.

4. Anordnung zur aktiven Fahrzeugdämpfung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verzicht auf die Beschleunigungsmesser ein einfache elektrische Vorgabe des Dämpfungsverhaltens erfolgt, welches dem Straßenzustand oder Beladungszustand von Hand oder automatisch angepaßt werden kann.

5. Anordnung zur aktiven Fahrzeugdämpfung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch steuerbare Stoßdämpfer austauschbar ist mit einem konventionellen Stoßdämpfer.

6. Anordnung zur aktiven Fahrzeugdämpfung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch steuerbare Stoßdämpfer einen Steuerbereich aufweist, der größer ist als der übliche Bereich eines Stoßdämpfers gleicher Baugröße.

7. Anordnung zur aktiven Fahrzeugdämpfung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch steuerbare Stoßdämpfer so ausgelegt ist, daß sich bei nicht vorhandener elektrischer Ansteuerung des Ventils eine maximale Dämpfungskraft ergibt.

8. Anordnung zur aktiven Fahrzeugdämpfung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Signal verarbeitung ein digitaler Rechner (Signalprozessor) verwendet wird.