DE3928993A1

DE3928993A1 - Fahrwerksregelung mit stellglied-anpassschaltung

Info

Publication number: DE3928993A1
Application number: DE3928993A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Kasper; Michael Dr Ing Dr Panther; Karl Jaeker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1991-01-03
Also published as: EP0434787A1; KR920700944A; JPH04500491A; WO1991000189A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Fahrwerksregelung von Fahrzeugen, insbesondere von Personen- und Nutzkraftfahrzeugen, mit den Fahrzustand erfassenden Sensoren, deren Daten einem Regler zugeführt werden, der einen semiaktiven, zu einer Federanordnung parallel geschalteten Dämpfer steuert.

Ziel einer Fahrwerksregelung von Fahrzeugen ist es, eine Fahrwerkabstimmung dahingehend vorzunehmen, daß sowohl ein hoher Komfort, als auch eine hohe Fahrsicherheit gegeben ist. Komfort und Fahrsicherheit stehen sich einander konträr gegenüber, da für den Komfort eine weiche Dämpfercharakteristik der am Fahrwerk vorgesehenen, parallel zu einer Federanordnung geschalteten Dämpfer notwendig ist und andererseits jedoch eine straffe Fahrwerksabstimmung, d. h. eine harte Dämpfercharakteristik, für eine hohe Fahrsicherheit eingesetzt werden muß.

Es ist bekannt, den Fahrzustand des Fahrzeuges durch geeignete Sensoren zu erfassen, deren Signale einem Regler zugeführt werden. Der Regler steuert die Dämpfer des Fahrwerkes derart, daß in unkritischen Situationen ein hoher Fahrkomfort zur Verfügung steht (weiche Dämpfercharakteristik) und daß in kritischen Situationen eine entsprechend straffe Fahrwerksabstimmung durch Einstellung einer harten Dämpfercharakteristik erfolgt.

Bei den derzeit eingesetzten Dämpfern sind drei unterschiedliche Typen zu unterscheiden. Der sogenannte passive Dämpfer weist eine Kolben-Zylinderanordnung auf, wobei der Kolben den Zylinderraum in zwei Zylinderkammern unterteilt, die mit einem Strömungsmedium gefüllt sind. Eine Verlagerungsbewegung des Kolbens wird durch das von diesem verdrängte, einen konstanten Durchströmquerschnitt passierende Medium gebremst. Bei den sogenannten semiaktiven Dämpfern, die ähnlich wie die passiven Dämpfer aufgebaut sind, besteht überdies die Möglichkeit, den Durchströmquerschnitt der kommunizierenden Zylinderkammern zu variieren. Insofern läßt sich die Dämpferkraft einstellen. Die Einstellung kann von einer weichen bis zu einer harten Dämpfercharakteristik erfolgen. Schließlich sind sogenannte aktive Dämpfer bekannt, bei denen die beiden Zylinderkammern aktiv mit Druckmitteln beaufschlagt werden können. Dieses erfordert gegenüber den semiaktiven Dämpfern einen wesentlich höheren Energieaufwand, da ein entsprechender Druckaufbau vorgenommen werden muß. Bei semiaktiven Dämpfern hingegen ist lediglich die Energie zur Verstellung des Strömungsquerschnittes aufzubringen.

Für die Entwicklung und Auslegung einer Fahrwerksregelung bedient man sich der bekannten Reglerentwurfs- und -optimierungsverfahren. Diese bekannten Verfahren gelten jedoch nur für lineare Systeme. Sofern bei der Fahrwerksregelung aktive Stellglieder (Dämpfer) eingesetzt werden, wird in der Regel ein hoher, konstanter Systemdruck erzeugt, so daß der Druckmediumstrom linear von der vom Regler gelieferten Ansteuerspannung abhängig ist, daß die Zumeßventile für das Druckmedium einen linearen Zusammenhang zwischen der Ansteuerspannung und ihrem Öffnungsquerschnitt aufweisen. Sofern semiaktive Dämpfer eingesetzt werden, entfällt ein Systemdruck. Der Druckmediumstrom hängt außer von dem gesteuerten Querschnitt der Drossel auch noch vom Differenzdruck zwischen den beiden Zylinderkammern des Dämpfers ab. Insgesamt ergibt sich so eine nichtlineare Systemkomponente, so daß die nur für lineare Systeme anwendbaren Reglerentwurfs- und -optimierungsverfahren nicht herangezogen werden können.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß die bekannten Reglerentwurfs- und -optimierungsverfahren auch bei dem Einsatz von semiaktiven Dämpfern zur Auslegung der Fahrwerksregelung herangezogen werden können. Dieses ist aufgrund einer Kompensationsschaltung möglich, die zwischen dem Regler und dem Dämpfer angeordnet ist und die eine Anpassung der nichtlinearen Steuerkennlinie des Dämpfers an die lineare Steuerspannung des Reglers vornimmt. Mithin kann bei Entwurf und Auslegung wie bei einem aktiven System vorgegangen werden; zusätzlich ist im semiaktiven System nur die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung notwendig.

Wie bereits dargestellt, weist der Dämpfer zwei, durch einen Dämpferkolben voneinander abgetrennte, miteinander über einen von einer Betätigungsspannung der Kompensationsschaltung steuerbaren Drosselquerschntt kommunizierende, mit einem Strömungsmedium gefüllt Zylinderkammern auf, wobei der den von der Schieberlage oder dergleichen abhängigen Drosselquerschnitt passierende Volumenstrom des Strömungsmediums nach der Beziehung

einstellt. hierbei bezeichnet V_q(u) den Gesamtdurchflußkoeffizienten, p₁ den Druck des Strömungsmediums in der einen, ersten Zylinderkammer, p₂ den Druck des Strömungsmediums in der anderen, zweiten Zylinderkammer, A₂ die Kolbenfläche bezüglich der zweiten Zylinderkammer und ΔF_d die Dämpferkraftänderung. Die Dämpferkraftänderung ΔF_d ergibt sich nach der Beziehung

ΔF_d≈A₂ · Δp; Δp=p₂-p₁

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich der Gesamt-Durchflußkoeffizient aus der Summe eines ansteuerunabhängigen Leckstromes V_q0 und einem Durchflußkoeffizienten V_q1(u) zusammensetzt, so daß sich für den Volumenstrom q ergibt:

Vorzugsweise ist zur Beseitigung der Nichtlinearität des ersten Summanden der Gleichung [3] ein Ansatz derart gewählt, daß der steuerbare Durchfluß des Druckmediums proportional zum Betrag einer zu definierenden Größe U₁ ist.

Vorzugsweise ist die Größe U₁ die Steuerspannung des Reglers.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ansatz lautet:

wobei der maximale Volumenstrom ist.

Es ergibt sich die von der Kompensationsschaltung durchzuführende Kompensation gemäß Gleichungen [4] zu

Der maximale Volumenstrom läßt sich aus Gleichung [5] dadurch bestimmen, daß für die Dämpferkraftänderung ΔF_d die maximale Dämpferkraft _d und für die Ansteuergrößen u bzw. U₁ (Schieberlage u und Steuerspannung U₁) die Maximalwerte "1" gesetzt werden.

Sofern die Realisierung durch einen Rechner erfolgt, ist für die nichtlineare Kompensation eine Skalierung der Gleichungen vorgesehen, so daß der Rechenbereich nicht überschritten wird.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Zwei-Massen-Einrad-Modell eines mit semiaktiver Fahrwerksregelung versehenen Fahrzeuges,

Fig. 2 ein Blockdiagramm des Regelschemas,

Fig. 3 ein Modell eines semiaktiven Dämpfers und

Fig. 4 ein Diagramm, das die Nichtlinearität des Steuerverhaltens eines semiaktiven Dämpfers darstellt.

Gemäß Fig. 1 kann jeder Radbereich eines mit Fahrwerksregelung versehenen Fahrzeuges als Zwei-Massen-Einrad-Modell nachgebildet werden. Die Radmasse m_r ist mit der zum Radbereich anteiligen Aufbaumasse m_a des Fahrzeuges über eine Federanordnung 1 mit der Federkonstanten c_a gekoppelt. Parallel zur Federanordnung 1 liegt ein semiaktiver Dämpfer 2, dessen Dämpfungskraft F_d über eine Betätigungsspannung V_d einstellbar ist. Die elastischen Teile des Rades sind durch eine Federkonstante c_r erfaßt. Das Rad läuft auf dem Fahrweg 3 ab, dessen Unebenheiten mit S gekennzeichnet sind. Bezogen sind diese Unebenheiten S auf ein Inertialsystem 4. Der Radweg ist in bezug auf das Inertialsystem 4 mit x_r bezeichnet; der relative Radweg x_rr liegt zwischen dem Radweg 3 und der Radmasse m_r. Ferner ist zwischen der Radmasse m_r und der Aufbaumasse m_a des Fahrzeugs der relative Einfederweg x_ar ausgebildet. Die Aufbaumasse m_a hat zum Inertialsystem 4 den Abstand x_a (Aufbauweg).

Durch Sensoren, die sowohl am Fahrzeugaufbau als auch am Radtrageteil angeordnet sind, lassen sich die dynamischen Fahrzeugstände des Fahrzeuges ermitteln. Die Fig. 2 zeigt - als Blockschaltbild - die Sensoren 5, die mit einem Regler 6 in Verbindung stehen, welcher über erfindungsgemäße Kompensationsschaltung 7 mit dem semiaktiven Dämpfer 2 verbunden ist. Als Eingangsgrößen für den Regler 6 können beispielsweise die sensorisch ermittelten Größen Dämpferkraft F_d, relativer Einfederweg x_ar, Radbeschleunigung _r und Aufbaubeschleunigung _a verwendet werden. Die Umwandlung von Weggrößen in Geschwindigkeitsgrößen bzw. Beschleunigungsgrößen und umgekehrt erfolgt auf bekannte Art und Weise mittels Differenziation bzw. Integration.

Die Fig. 3 zeigt das Modell des semiaktiven Dämpfers 2. Dieser weist einen Zylinder 8 auf, der von dem Kolben 9 in zwei Zylinderkammern 10 und 11 unterteilt wird. Oberhalb der Zylinderkammer 10 ist durch einen Trennkolben 12 eine Gasvolumenkammer 13 abgeteilt.

Hierin befindet sich das Gasvolumen V, das für den Volumenausgleich unter einem Druck p_Gas steht. Der Dämpfer 2 ist über ein mit einer Federkonstanten c_g versehenes Gummilager 14 mit der Karosserie des Fahrzeugs verbunden. Das Gummilager 14 kann dabei den Weg x ausführen.

Die obere, erste Zylinderkammer 10 weist den Druck p₁ eines Strömungsmediums (z. B. Öl) auf. Der ersten Zylinderkammer 10 ist ferner die hydraulische Kapazität c₁ und der Kolbenquerschnitt A₁ des Kolbens 9 zugeordnet. Die untere, zweite Zylinderkammer 11 weist den Druck p₂ und die hydraulische Kapazität C₂ auf. Ihr ist die Kolbenfläche mit dem Kolbenquerschnitt A₂ zugeordnet.

Der Kolben 9 weist einen mit Drossel 15 versehenen Verbindungskanal 16 auf. Der Drosselöffnungsquerschnitt ist durch Anlegen einer Betätigungsspannung V_d steuerbar, durch den sich der den Drosselquerschnitt passierende Volumenstrom q des Strömungsmediums verändern läßt. Vorzugsweise kommt für die Verstellung der Drossel 15 ein lagegeregeltes Magnetstellsystem zum Einsatz, das durch ein System 2ter Ordnung beschrieben werden kann (vgl. die in der Fig. 3 eingerahmte Funktion). Die Schieberlage u der Drossel 15 kann über das Magnetstellsystem mittels der Betätigungsspannung V_d verstellt werden. Der Gesamt-Durchflußkoeffizient der Drossel 15 ist dabei nicht linear von der Schieberlage u abhängig.

Diese Nichtlinearität geht aus der Fig. 4 hervor. Sie führt dazu, daß die bekannten Reglerentwurfs- und -optimierungsverfahren für den Regelkreis der Fahrwerksregelung nicht angewendet werden können, da diese nur für lineare Systeme Gültigkeit haben. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, daß die aufgezeigte Nichtlinearität durch die Kompensationsschaltung 7 beseitigt wird, so daß auch für den hier eingesetzten, semiaktiven Dämpfer 2 die bekannten Entwurfs- und -optimierungsverfahren anwendbar sind.

Aus dem geschilderten Modell des Dämpfers 2 ergibt sich für den Volumenstrom q die Beziehung

wobei ΔF_d die Dämpferkraftänderung ist. Für diese gilt die Beziehung

ΔF_d≈A₂ · Δp;
Δp=p₂-p₁

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß von einem Leckstrom des Strömungsmediums auszugehen ist, da die Kennlinie nicht durch den Nullpunkt des Koordinatensystems geht. Dieser Leckstrom V_q0 ist unabhängig von der Ansteuerung (Schieberlage u).

Für den Gesamt-Durchflußkoeffizienten V_q(u) wird nun ein Ansatz gewählt, bei dem dieser Sachverhalt berücksichtigt ist. Es gilt

V_q(u)=V_q0+V_q1(u).

Setzt man nun diesen Ausdruck in Gleichung [2] ein, so erhält man die Beziehung

Hierbei stellt V_q0 den Leckstromkoeffizienten und V_q1 den Durchflußkoeffizienten dar.

Die bereits genannten, bekannten Reglerentwurfs- und -optimierungsverfahren verlangen zur Ermittlung der Reglerkoeffizienten des Mehrgrößenreglers (Regler 6) ein lineares Streckenmodell. Insgesamt ist ersichtlich, daß die Drosselgleichung [3] eine wesentliche Nichtlinearität aufweist. Um diese zu beseitigen wird erfindungsgemäß eine nichtlineare Kompensation durchgeführt, so daß man für den ersten Summanden in Gleichung [3] eine linearähnliche Beziehung erhält

Der steuerbare Durchfluß soll demgemäß proportional zum Betrag einer zunächst noch nicht definierten Größe U₁ sein. Bei dieser Größe handelt es sich um die Steuerspannung U₁ (Ausgangsspannung des Reglers 6). Die Durchflußrichtung des Strömungsmediums wird von der Richtung der Dämpferkraftänderung ΔF_d bestimmt. Im obigen Ansatz ist berücksichtigt, daß beim Einsatz eines semiaktiven Dämpfers die Strömungsrichtung nur immer in Richtung der momentanen Dämpferkraftänderung ΔF_d erfolgt. Man kann nun die Art der nichtlinearen Kompensation ermitteln, indem man die Gleichung [4] nach V_q1(u) auflöst. Es gilt dann

Die Beseitigung der Nichtlinearität wird bei einem Vergleich der Gleichung [3] mit der Gleichung [5] deutlich, da der Wurzelausdruck einmal im Zähler und einmal im Nenner steht, so daß er entfällt.

Der maximale Volumenstrom ist aus der Gleichung [5] herleitbar, indem man für die Dämpferkraftänderung ΔF_d die maximale Dämpferkraft _d und für die Ansteuergrößen u bzw. U₁ ihre Maximalwerte "1" einsetzt. Dies führt zu der Gleichung

Sofern für die Realisierung der nichtlinearen Kompensation ein Rechner eingesetzt wird, ist die Gleichung [5] zu skalieren, damit der Rechenbereich nicht überschritten wird. Dabei geht man wie folgt vor: Man setzt Gleichung [6] in Gleichung [5] ein und ersetzt darin die Dämpferkraftänderung ΔF_d durch die skalierte Beziehung ΔF_dm · F_d. Anschließend bezieht man die ganze Gleichung auf den maximalen Durchfluß V_q1(1). Dieses führt zu der Beziehung

Löst man nun die skalierte Gleichung [7] nach der Größe u auf, so erhält man

Die Größen für den Leckstromkoeffizienten V_q0, den Durchflußkoeffizienten V_q1 und den maximalen Mediumstrom sind als Kenngrößen von dem eingesetzten Dämpfer 2 bekannt. Bei einem im Versuch eingesetzten Dämpfer ergeben sich hierfür folgende Werte:

V_q0=5,93 e^-8 [m⁴/s/
V_q1=6,46 e^-7 [m⁴/s/
=1,50 e^-3 [m⁴/s].

Für die skalierte inverse Durchflußlinie ergibt sich nach alledem folgende Tabelle:

Für den Volumenstrom q des semiaktiven Systems gilt Gleichung [3] und [4]. Setzt man einen aktiven Dämpfer anstelle des semiaktiven Dämpfers ein, so müßte für den Volumenstrom q die nachfolgende lineare Beziehung gelten

Es ist ersichtlich, daß die Richtung des Volumenstroms q völlig unabhängig von der Dämpferkraft ist. Dem aktiven System kann also Energie entzogen oder zugeführt werden. Sofern die Vorzeichen von U₁ und ΔF_d miteinander übereinstimmen, ergibt sich eine Identität zwischen Gleichung [3] und [9]. Dieses bedeutet, daß das aktive System, für das die bekannten Reglerentwurfs- und -optimierungsverfahren Gültigkeit haben - in diesem Betriebsbereich - voll durch das semiaktive System ersetzt werden kann.

Im anderen Betriebsbereich ist keine Übereinstimmung der beiden Gleichungen [3] und [9] erreichbar. In diesem Fall kann die Drossel entweder ganz geschlossen oder voll geöffnet werden, so daß im Dämpfer möglichst keine Leistung umgesetzt und damit eine möglichst geringe Abweichung gegenüber dem aktiven System gewährleistet wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Fahrwerksregelung von Fahrzeugen, insbesondere von Personen- und Nutzfahrzeugen, mit den Fahrzustand erfassenden Sensoren, deren Daten einem Regler zugeführt werden, der einen semiaktiven, mit einer Federanordnung zusammenwirkendem Dämpfer steuert, gekennzeichnet durch eine zwischen den Regler (6) und den Dämpfer (2) geschaltete, der Anpassung der nichtlinearen Steuerkennlinie des Dämpfers (2) an die lineare Steuerspannung des Reglers (6) dienende Kompensationsschaltung (7).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (2) zwei, durch einen Dämpferkolben (9) voneinander abgetrennte, miteinander über einen von einer Betätigungsspannung (V_d) der Kompensationsschaltung (7) steuerbaren Drosselöffnungsquerschnitt kommunizierende, mit einem Strömungsmedium gefüllte Zylinderkammern (10, 11) aufweist und daß sich der den von der Schieberlage (u) abhängigen Drosselquerschnitt passierende Volumenstrom q des Strömungsmediums nach der Beziehung einstellt, wobei V_q(u) der Gesamt-Durchflußkoeffizient, p₁ der Druck des Strömungsmediums in der einen, ersten Zylinderkammer (10), p₂ der Druck des Strömungsmediums in der anderen, zweiten Zylinderkammer (11), A₂ die Kolbenfläche bezüglich der zweiten Zylinderkammer (11) und ΔF_d die Dämpferkraftänderung (ΔF_d≈A₂ · Δp; Δp=p₂-p₁) ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Gesamtdurchflußkoeffizient (V_q(u)) aus der Summe eines ansteuerungsabhängigen Leckstromes (V₀) und eines Durchflußkoeffizienten (V_q1) zusammensetzt, so daß sich für den Volumenstrom (q) ergibt:

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung der Nichtlinearität des ersten Summanden der Gleichung [3] ein Ansatz derart gewählt wird, daß der steuerbare Durchfluß des Druckmediums proportional zum Betrag einer zu definierenden Größe (U₁) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (U₁) die Steuerspannung des Reglers (6) ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz lautet: wobei der maximale Volumenstrom ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die von der Kompensationsschaltung (7) durchzuführende Kompensation gemäß Gleichung [4] ergibt zu

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der maximale Volumenstrom () dadurch aus Gleichungen [5] bestimmen läßt, daß für die Dämpferkraftänderung (ΔF_d) die maximale Dämpferkraft (_d) und für die Ansteuergrößen (u und U₁) (Schieberlage u und Steuerspannung U₁) die Maximalwerte "1" eingesetzt werden.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die in einem Rechner erfolgende Realisierung der nichtlinearen Kompensation eine Skalierung der Gleichungen vorgenommen wird.