DE4036064A1

DE4036064A1 - Semi-aktives fahrwerksregelungssystem

Info

Publication number: DE4036064A1
Application number: DE4036064A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Ing Eckert; Michael Dr Hoffmann
Original assignee: Alfred Teves GmbH
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1990-11-13
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1992-05-14
Also published as: JPH06501437A; DE59102387D1; EP0557322B1; WO1992008623A1; EP0557322A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein semi-aktives Fahrwerks regelungssystem für Kraftfahrzeuge, das im wesentlichen aus regelbaren Schwingungsdämpfern, aus Sensoren zur Gewinnung der für die Regelung benötigten Informationen über das Fahr werksverhalten sowie aus elektronischen Schaltkreisen zur Auswertung der Sensorsignale und Erzeugung von Dämpferan steuerungssignalen besteht.

Für ein semi-aktives Fahrwerksregelungssystem ist die abso lute Aufbaugeschwindigkeit die vorherrschende Regelgröße für die Komfortbewertung. Die Größe der Dämpfkraft, die für eine hohe Fahrsicherheit und hohen Regelkomfort benötigt wird, ist von der Aufbaugeschwindigkeit abhängig. Diese Regelgröße entzieht sich aber der direkten Messung. Ein gängiger Weg ist die Messung der Aufbaubeschleunigung und die Errechnung der Aufbaugeschwindigkeit durch Integration dieser Meßwerte.

Zur Realisierung einer semi-aktiven Fahrwerksregelung wird außerdem noch die Dämpfergeschwindigkeit benötigt. Durch Messung des Dämpferweges, d. h. des relativen Weges zwischen Rad und Aufbau, und Differentiation dieses Wertes oder durch Integration der Radbeschleunigung, die sich mit Beschleuni gungsaufnehmer messen läßt, wird die Dämpfergeschwindigkeit ermittelt. Die Auswertung der verschiedenen Sensorsignale, die Integration und Differentiation sind bekanntlich mit zahlreichen Schwierigkeiten und Störeinflüssen verbunden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, zur Vermei dung oder Verringerung dieser Schwierigkeiten und zur Redu zierung des Herstellungsaufwandes mit möglichst wenigen Sen soren auszukommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Sensoren zur Gewinnung der benötigten Informationen für die Dämpfkraftregelung ausschließlich Aufbaubeschleunigungssen soren vorgesehen sind, deren Ausgangssignale in einem Filter ausgewertet werden, dessen Übertragungsverhalten unter Kon zentration auf einen Frequenzbereich, der die Eigenfrequenz des Fahrzeugaufbaus und die Eigenfrequenz des Rades umfaßt, dem Übertragungsverhalten eines das ganze auftretende Fre quenzspektrum abdeckenden Filters, z. B. eines diskreten Kalman-Filters, linear angenähert ist.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Über tragungsverhalten des Filters auf einen Frequenzbereich kon zentriert, dessen untere Grenze etwa bei dem 0,1 bis 0,5fachen der Aufbaueigenfrequenz und dessen obere Grenze etwa bei dem 1,2 bis 2fachen der Radeigenfrequenz liegen. Als zweckmäßig hat sich hierbei ein Bereich zwischen etwa 0,2 und 20 Hz, insbesondere zwischen 0,5 und 16 Hz erwiesen.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Übertragungsverhalten des Filters durch Berechnung eines Kalman-Filters für 1/4 Fahrzeugmodell und Anpassung an ein vorgegebenes Straßen- bzw. Störprofil festgelegt.

Obwohl für die Fahrwerkregelung die Aufbaubeschleunigung bzw. Aufbaugeschwindigkeit an jedem Rad bekannt sein muß, genügen drei, jeweils an einer Fahrzeugecke angeordnete Auf baubeschleunigungssensoren, weil sich aus deren Meßwerte auch die Aufbaubeschleunigung an der vierten Fahrzeugecke errechnen läßt.

Durch die Beschränkung auf Aufbaubeschleunigungssensoren wird folglich der benötigte Aufwand für das semi-aktive Fahrwerksregelungssystem im Vergleich zu den bekannten Systemen dieser Art, die sowohl Aufbaubeschleunigungs- als auch Dämpferwegsensoren benötigen, erheblich verringert. Darüberhinaus wird durch Vermeidung der mit der Auswertung zahlreicher Sensoren verbundenen Schwierigkeiten, die Regel güte noch erhöht.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Darstellung weiterer Ein zelheiten und aus den beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen

Fig. 1 in Prinzipdarstellung die wesentlichen Komponenten eines Fahrwerksregelungssystem nach der Erfindung,

Fig. 2 im Diagramm die Dämpfergeschwindigkeit bei einem Dämpfungsvorgang, und zwar den Verlauf der "echten" Dämpfergeschwindigkeit im Vergleich zu der "ge schätzten" Geschwindigkeit, ermittelt an Hand eines Simulationsmodells,

Fig. 3 in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 2 die gleichen Meßgrößen, ermittelt an Hand eines anderen Fahrzeugmodells, und

Fig. 4 in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 2 und 3 die gleichen Meßgrößen, ermittelt in einem Fahrtest.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Fahr werksregelungssystem im wesentlichen aus drei Aufbaube schleunigungssensoren S₁, S₂, S₃, in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet, aus elektronischen Schaltkreisen 2-5 und aus Proportionalventilen 6, 7, 8, 9, mit denen die Dämpferkraft eingestellt wird, besteht.

In dem ersten elektronischen Schaltkreis 2 + 3, dem die Sen sorsignale S₁, S₂, S₃ zugeleitet werden, wird die Auf baubeschleunigung und die Aufbaugeschwindigkeit an den vier Ecken des Kraftfahrzeuges ermittelt. 2 symbolisiert den Be reich, in dem die Sensorsignale aufbereitet werden und das Verhalten des Aufbaus an allen vier Fahrzeugecken ermittelt wird. In dem zweiten elektronischen Schaltkreis 5 werden schließlich durch Auswertung der Informationen, die die Sen soren S₁ bis S₃ liefern, die Dämpferansteuerungssignale ermittelt und den Ventilen 6 bis 9 zugeführt.

Der erste Schaltkreis 2 + 3 enthält auch diejenigen Filter 3, mit denen aus den Sensorsignalen die tatsächliche Dämpfergeschwindigkeit bzw. ein die Dämpfergeschwindigkeit wiedergebendes Signal ermittelt wird.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Auslegung des Filters 3. Die umfassendste Möglichkeit zur Errechnung der benötigten Zustandsgrößen aus Signalen, wie sie von den Sen soren S₁ bis S₂ geliefert werden, bietet bekanntlich ein Kalman-Filter oder ein anderes das ganze auftretende Fre quenzspektrum abdeckendes Filter. Solche Filter haben jedoch bekanntlich den Nachteil eines sehr hohen Rechenaufwandes und großer Rechenzeiten. Erfindungsgemäß wird daher die Fil tercharakteristik eines diskreten Kalman-Filters mit einer rechnerisch sehr viel einfacheren Übertragungsstruktur ange nähert, ohne dabei die wesentlichen Eigenschaften des Fil ters zu verlieren. Zu diesem Zweck wird ein Kalman-Filter für ein linearisiertes 1/4 Fahrzeugmodell berechnet und an ein gegebenes Straßen- bzw. Störprofil angepaßt. Für die kontinuierliche Übertragungsfunktion H(s) eines solchen Fil ters gilt die Beziehung

mit
T_D ≈ M_b/c_F
T₁ ≈ 2 . . . 5×1/2 π f_A
T₂ ≈ 0,5 . . . 0,8×1/2 π f_R

wobei bedeuten:

M_b=Masse des Fahrzeugaufbaus
c_F=Federkonstante der Radaufhängung
s=Laplace-Operator
f_A=Aufbaueigenfrequenz
f_R=Radeigenfrequenz

Die entsprechende diskrete Übertragungsfunktion H (z^-1) lautet:

mit

λ₁=
λ₂=
T₀=Abtastzeit
T_D≈M_b/c_F
z=Operator der diskreten Übertragungsfunktion.

Für den Berechnungsalgorithmus gilt dann:

V_D(k)=(λ₁+λ₂) V_D (k-1)-λ₁λ₂ V_D (k-2)-M (a_B(k)-a_B(k-1)

mit

V_D=Dämpfergeschwindigkeit
a_B=Aufbaubeschleunigung

Erfindungsgemäß wird also das Filter durch eine lineare Annäherung an ein das ganze auftretende Frequenzspektrum ab deckendes Filter, wie an ein Kalman-Filter festgelegt, wobei eine Konzentration auf den nutzbaren Frequenzbereich, mäm lich auf den Frequenzbereich zwischen der Aufbaueigenfre quenz und der Radeigenfrequenz, erfolgt. Im Vergleich zu einem Kalman-Filter wird eine rechnerisch wesentlich ein fachere Übertragungsstruktur gewählt. Dadurch wird der er forderliche Rechenaufwand - im Vergleich zu einem Kalman-Filter - erheblich verringert. Dennoch erhält man ein Signal, das für eine Fahrwerkregelung ausreichend genau die Aufbaugeschwindigkeit wiedergibt. Störimpulse werden unter drückt. Das Signal läßt sich vergleichsweise einfach durch Mikrocomputerprogramme verarbeiten.

Bei der Festlegung der Übetragungsfunktion des erfindungsge mäßen Filters wird auf einen Frequenzbereich besonderen Wert gelegt, der etwas unterhalb der Aufbaueigenfrequenz beginnt und sich etwa bis zum 1,2 oder 2-fachen der Radeigenfrequenz erstreckt. Diese Konzentration kann beispielsweise auf einen Frequenzbereich von 0,5 bis 16 Hz erfolgen.

Das erfindungsgemäße Filter 3 überträgt - im Gegensatz zu einem Kalman-Filter - keine langsamen Drifteinflüsse, weil eine untere Grenzfrequenz vorgegeben ist. Das Filter hat keine Offsetprobleme und unterdrückt höherfrequente Störun gen. Die Anzahl der notwendigen Rechenoperationen zur Aus wertung des Signals ist relativ gering, so daß ein üblicher Mikrocomputer mit Fest-Komma-Arithmetik die Algorithmen be rechnen kann. Der "Schätzfehler", nämlich der Fehler durch Vereinfachung der Übertragungsfunktion im Vergleich zu einem Kalman-Filter, ist dabei sehr klein. Ferner reagiert das er findungsgemäße Filter unempfindlich auf Parameterschwankun gen des Fahrzeugs, wie Zuladung, nichtlinear variable Dämp fung usw.

Da für die semi-aktive Fahrwerksregelung nur der Nulldurch gang bzw. das Vorzeichen der Dämpfergeschwindigkeit benötigt wird, sind Meßfehler durch falsche Sensorpositionierung oder durch ähnliche Effekte relativ gering.

Die Diagramme, Fig. 2 bis 4, zeigen die gute Übereinstim mung der mit dem erfindungsgemäßen Filter 3 ermittelten Dämpfergeschwindigkeit v_F mit den tatsächlichen Werten v_D.

Die Kurven nach Fig. 2 und Fig. 3 wurden durch Simulatio nen gewonnen. Fig. 2 bezieht sich auf eine Simulation mit einem nichtlinearen 1/4 Fahrzeugmodell. Dieses Modell bein haltet eine nichtlineare Feder, einen nichtlinearen und pro portional verstellbaren Dämpfer und ein hochwertiges Fahr werksregelungssystem. Die Straße ist eine standardisierte Teststraße, eine sogenannte Random-Road, die einer schlech ten Straße entspricht. Gezeigt ist in Fig. 2 der Verlauf der "echten" Dämpfergeschwindigkeit v_D1 gegenüber der "ge schätzten", mit Hilfe des erfindungsgemäßen Filters gewonne nen Geschwindigkeit v_F1. Die mit dem erfindungsgemäßen Filter gewonnene Kennlinie ist in Fig. 2 mit abweichendem Maßstab abgebildet; da nur Nulldurchgänge in erster Linie bestimmend sind, wurde auf eine Skalierung verzichtet. Man erkennt die gute Übereinstimmung der beiden Signale v_D1 und v_F1. Die mit dem vollständigen Kalman-Filter, das den gesamten Frequenzbereich erfaßt, gewonnene Kurve v_D1 zeigt bezüglich der Richtung und den Nulldurchgängen fast den gleichen Verlauf wie das "geschätzte" Signal v_F1.

Die Darstellung der Dämpfergeschwindigkeit v_D2 nach Fig. 3 wurde mit Hilfe eines nichtlinearen Vollfahrzeugmodells (ADAMS) berechnet. Dieses bekannte und vielfach gebrauchte Modell ist mit realen Achskinematiken, Steifheiten und ge messenen Feder- und Dämpferkennlinien ausgestattet. Darüber hinaus sind proportional verstellbare Dämpfer und ein hoch wertiges Fahrwerksregelungssystem einbezogen. Auch in diesem Beispiel ist eine sehr gute Übereinstimmung des "echten" Signalverlaufs v_D2 mit dem "geschätzten" Signalverlauf v_F2 festzustellen.

Schließlich sind in Fig. 4 noch die entsprechenden Signal verläufe durch Messung an einem Testfahrzeug wiedergegeben. Die Signale wurden wiederum in abweichendem Maßstab aufge tragen, weil die Nulldurchgänge und die Signalrichtung prak tisch allein von Bedeutung sind. Es besteht eine ähnlich gu te Übereinstimmung zwischen den Signalverläufen v_D3 und v_F3 wie in den Fig. 2 und 3.

Claims

1. Semi-aktives Fahrwerksregelungssystem für Kraftfahrzeuge, bestehend im wesentlichen aus regelbaren Schwingungs dämpfern, aus Sensoren zur Gewinnung der für die Regelung benötigten Informationen über das Fahrwerksverhalten so wie aus elektronischen Schaltkreisen zur Auswertung der Sensorsignale und Erzeugung von Dämpferansteuerungssigna len, dadurch gekennzeichnet, daß als Senso ren (1) zur Gewinnung der Informationen für die Dämpf kraftregelung ausschließlich Aufbaubeschleunigungssenso ren (S₁-S₃) vorgesehen sind, deren Ausgangssignale in einem Filter (3) ausgewertet werden, dessen Übertragungs verhalten unter Konzentration auf einen Frequenzbereich, der die Eigenfrequenz des Fahrzeugaufbaus und die Eigen frequenz des Rades umfaßt, dem Übertragungsverhalten ei nes das ganze auftretende Frequenzspektrum abdeckenden Filters, z. B. eines diskreten Kalman-Filters, linear an genähert ist.

2. Fahrwerksregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsverhal ten des Filters (3) auf einen Frequenzbereich konzen triert ist, dessen untere Grenze etwa bei dem 0,1- 0,5fachen der Aufbaueigenfreguenz und dessen obere Grenze etwa bei dem 1,2- 2fachen der Radeigenfrequenz liegen.

3. Fahrwerksregelungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsverhal ten des Filters (3) auf einen Bereich zwischen etwa 0,2 und 20 Hz, insbesondere zwischen 0,5 und 16 Hz, konzen triert ist.

4. Fahrwerksregelungssystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsverhalten des Filters (3) durch Berech nung eines Kalman-Filters für 1/4 Fahrzeugmodell und An passung an ein vorgegebenes Straßen- bzw. Störprofil festgelegt wird.

5. Fahrwerksregelungssystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Filter die kontinuierliche Übertragungsfunktion H(s) gilt: mit
T_D ≈ M_b/c_F
T₁ ≈ 2 . . . 5×1/2 π f_A
T₂ ≈ 0,5 . . . 0,8×1/2 π f_Rwobei bedeuten:M_b=Masse des Fahrzeugaufbaus
c_F=Federkonstante der Radaufhängung
s=Laplace-Operator
f_A=Aufbaueigenfrequenz
f_R=Radeigenfrequenz

6. Fahrwerksregelungssystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Fahrzeugecke ein Aufbaubeschleunigungssensor vorgesehen ist.

7. Fahrwerksregelungssystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an drei der vier Fahrzeugecken je ein Aufbaubeschleuni gungssensor (S₁, S₂, S₃) vorgesehen ist und die Aufbaubeschleunigung an der vierten Fahrzeugecke aus den Messungen der drei Aufbaubeschleunigungssensoren (S₁, S₂, S₃) errechnet wird.