DE4126731C2

DE4126731C2 - Fahrwerksregelungssystem für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4126731C2
Application number: DE19914126731
Authority: DE
Inventors: Alfred Eckert; Michael Hoffmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 1991-08-13
Filing date: 1991-08-13
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2011-08-14
Also published as: DE4126731A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Fahrwerksregelungssystem für Kraftfahrzeuge, mit semi-aktiven, in Abhängigkeit von Größe und Richtung der vertikalen Aufbau-Geschwindigkeit und der Dämpfer geschwindigkeit geregelten Schwingungsdämpfern, bei denen die Größe des Dämpferwegs in ihrem zeitlichen Verlauf durch Dämpfer weg-Sensoren erfaßbar ist, mit elektronischen Schaltkreisen zur Auswertung der von den Dämpferweg-Sensoren gelieferten Signale und Erzeugung von Dämpferansteuerungssignalen, wobei zur Bestim mung der Aufbaugeschwindigkeit die Signale der Dämpferweg- Sensoren in einem Filter ausgewertet werden.

Für ein semi-aktives Fahrwerksregelungssystem ist die absolute Aufbaugeschwindigkeit die vorherrschende Regelgröße für die Kom fortbewertung. Für diesen Zweck sind bereits sogenannte Sky- Hook-Regelungen bekannt.

Die Größe der Dämpfkraft, die für eine hohe Fahrsicherheit und hohen Regelkomfort benötigt wird, ist von der Aufbaugeschwindig keit abhängig. Diese Regelgröße entzieht sich aber der direkten Messung. Ein gängiger Weg ist die Messung der Aufbaubeschleuni gung und die Errechnung der Aufbaugeschwindigkeit durch Integra tion dieser Meßwerte. In der Praxis führt jedoch die Integration zu zahlreichen Schwierigkeiten, da sich Störungen und Fehlsigna le (Offset, Signaldrift etc.) im Sensorsignal durch die Integra tion verstärkt auswirken.

Zur Realisierung einer semi-aktiven Fahrwerksregelung wird außerdem noch die Dämpfergeschwindigkeit, d. h. die Einfederungs-Geschwindigkeit des Fahrzeugs, 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 Beschleunigungsaufnehmern messen läßt, wird die Dämpfergeschwindigkeit ermittelt. Die Auswertung der verschiedenen Sensorsignale ist bekanntlich mit zahlreichen Schwierigkeiten und Störeinflüssen verbunden.

Auch ist es bekannt, zur Ermittlung von Regelgrößen die Verti kaldynamik eines Fahrzeugs durch Fahrzeugmodelle, z. B. durch ein sogenanntes 1/4 Fahrzeugmodell, nachzubilden. Hierbei wird ein Straßenprofil z. B. durch Messung der auftretenden Frequenzen bestimmt und zur Anregung des Fahrzeugmodells verwendet.

Aus der Offenlegungsschrift DE 39 16 460 A1 ist bereits ein Ver fahren zur Fahrwerksregelung bekannt, beidem dem Regler des Re gelkreises als Eingangsgröße die Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugaufbaus und/oder die Einfederwege des Fahrwerks zuge führt werden. Mit den Ausgangsgrößen des Reglers werden dann die Dämpfungseigenschaften mindestens eines Dämpfers des Fahrwerks geregelt. Es ist davon auszugehen, daß diese Ausgangssignale, wenn nur Wegsensoren vorhanden sind, mit Hilfe aufwendiger Rechenprozesse ermittelt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Fahrwerksrege lungssystem der eingangs genannten Art zu entwickeln, das mit Dämpferweg-Sensoren auskommt und das aus den mit diesen Sensoren ermittelten Informationen durch vergleichsweise einfach durchzuführende Rechenprozesse die benötigten Dämpferansteuer ungssignale errechnet.

Damit soll bei geringem Herstel lungsaufwand dennoch eine wirkungsvolle semi-aktive Fahrwerks-Regelung erreicht werden.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß zur Auswertung der Ausgangssignale der Dämpferweg- Sensoren ein Filter vorgesehen ist, dessen Übertragungsverhalten unter Konzentration auf einen Frequenzbereich, dessen untere Grenze etwa bei dem 0,1-0,5fachen der Eigenfrequenz des Fahr zeugaufbaus liegt und dessen obere Grenze etwa das 1,2-2fache der Eigenfrequenz des Rades beträgt, dem Übertragungsverhalten eines das ganze auftretende Frequenzspektrum abdeckenden Fil ters, z. B. eines diskreten Kalman-Filters, linear angenähert ist.

Nach einem Ausführungsbeispiel der. Erfindung ist das Übertra gungsverhalten des Filters auf einen Frequenzbereich zwischen etwa 0,2 und 20 Hz, insbesondere zwischen 0,5 und 16 Hz, kon zentriert.

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

Durch die Beschränkung auf Dämpferwegsensoren wird der benötigte Aufwand für das semi-aktive Fahrwerksregelungssystem im Ver gleich zu den bekannten Systemen dieser Art, die sowohl Aufbau beschleunigungs- als auch Dämpferwegsensoren benötigen, er heblich verringert. Durch Vermeidung der mit der Auswertung von Signalen zahlreicher Sensoren verbundenen Schwierigkeiten wird die Regel güte noch erhöht. Das erfindungsgemäß verwendete Filter, mit dem die Dämpferwegsignale verarbeitet werden, zeichnet sich durch kurze Rechenzeiten sowie geringen Aufwand aus und führt zu hoher Regelgüte. Eine Integration der Aufbaubeschleunigungssignale wird vermieden.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Darstellung von Einzelheiten 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 Geschwindigkeit des Fahrzeugaufbaus bei einem Dämpfungsvorgang, und zwar den Verlauf der "echten" Aufbaugeschwindigkeit im Vergleich zu der "geschätzten", d. h. mit Hilfe des für das erfin dungsgemäße System vorgesehenen Filters errechneten 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 vier Dämpferweg sensoren S₁, S₂, S₃, S₄, die in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnet sind, aus elektronischen Schaltkreisen 2-5 und aus Proportionalventilen 6, 7, 8, 9, besteht. Diese Ventile gehören zu den einzelnen (nicht dargestellten) Schwingungsdämpfern und dienen zur Einstellung der Dämpferkraft.

In dem ersten elektronischen Schaltkreis 2 + 3, dem die Sensorsignale S₁, S₂, S₃, S₄ zugeleitet werden, wird der Dämpferweg bzw. die Dämpferbewegung, die die einzelnen Schwingungsdämpfer ausführen, ermittelt. 2 symbolisiert den Bereich, 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 Sensoren S₁ bis S₄ liefern, die Dämpferansteuerungs signale ermittelt und den Ventilen 6 bis 9 zugeführt.

Der erste Schaltkreis 2 + 3 enthält auch diejenigen Filter 3, mit denen aus den Sensorsignalen der tatsächliche Dämpferweg bzw. ein den Dämpferweg 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 Sensoren S₁ bis S₄ geliefert werden, bietet 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 Filter charakteristik eines diskreten Kalman-Filters mit einer rech nerisch sehr viel einfacheren Übertragungsstruktur ange nähert, ohne dabei die wesentlichen Eigenschaften des Filters zu verlieren. Zu diesem Zweck wird ein Kalman-Filter für ein linearisiertes 1/4 Fahrzeugmodell berechnet und an ein gege benes Straßen- bzw. Störprofil angepaßt. Für die kontinuier liche Übertragungsfunktion H(s) eines solchen Filters gilt die Beziehung

mit

T_D ≈ D/M_b
T₁ ≈ 2 . . . 5 × 1/(2π f_A)
T₂ ≈ 0,5 . . . 0,8 × 1/(2π f_R)

wobei bedeuten:
D = Dämpferkonstante
M_b = Masse des Fahrzeugaufbaus
s = Laplace-Operator
f_A = Aufbaueigenfrequenz
f_R = Radeigenfrequenz.

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

mit
1 = e^-T₀/T₁
2 = e^-T₀/T₁
T₀ = Abtastzeit
T_D ≈ D/M_b
z = Operator der diskreten Übertragungsfunktion.

Für den Berechnungsalgorithmus gilt dann:

v_B(k) = (λ₁ + λ₂) v_B(k - 1) - ₁₂v_B(k - 2) + K(Z_D(k) - Z_D(k - 1)

mit

v_B = Aufbaugeschwindigkeit
Z_D = Dämpferweg.

Erfindungsgemäß wird also das Filter durch eine lineare An näherung an ein das ganze auftretende Frequenzspektrum ab deckendes Filter, wie an ein Kalman-Filter, festgelegt, wobei eine Konzentration auf den nutzbaren Frequenzbereich, nämlich auf den Frequenzbereich zwischen der Aufbaueigen frequenz 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 Übertragungsfunktion des Filters wird erfindungsgemäß 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 erfindungsgemäß verwendete Filter 3 überträgt - im Ge gensatz zu einem Kalman-Filter - keine langsamen Driftein flüsse, weil eine untere Grenzfrequenz vorgegeben ist. Das Filter hat keine Offsetprobleme und unterdrückt höher frequente Störungen. Die Anzahl der notwendigen Rechen operationen zur Auswertung des Signals ist relativ gering, so daß ein üblicher Mikrocomputer mit Festkomma-Arithmetik die Algorithmen berechnen kann. Der "Schätzfehler", nämlich der Fehler durch Vereinfachung der Übertragungsfunktion im Vergleich zu einem Kalman-Filter, ist dabei sehr klein. Fer ner reagiert das erfindungsgemäß verwendete Filter un empfindlich auf Parameterschwankungen des Fahrzeugs, wie Zu ladung, nichtlinear variable Dämpfung 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_B.

Die Kurven nach Fig. 2 und Fig. 3 wurden durch Simulationen gewonnen. Fig. 2 bezieht sich auf eine Simulation mit einem nichtlinearen 1/4 Fahrzeugmodell. Die ses Modell beinhaltet eine nichtlineare Feder, einen nicht linearen und proportional verstellbaren Dämpfer und ein hochwertiges Fahrwerksregelungssystem. Die Straße ist eine standardisierte Teststraße, eine sogenannte "Random-Road", die einer schlechten Straße entspricht. Gezeigt ist in Fig. 2 der Verlauf der "echten" Dämpfergeschwindigkeit v_B1 ge genüber der "geschätzten", mit Hilfe des für das erfindungs gemäße System verwendeten Filters gewonnenen Geschwindigkeit v_F1. Die mit dem Filter des erfindungsgemäßen Systems ge wonnene Kennlinie ist in Fig. 2 mit abweichendem Maßstab abgebildet; da in erster Linie nur Nulldurchgänge bestimmend sind, wurde auf eine Skalierung verzichtet. Man erkennt die gute Übereinstimmung der beiden Signale v_B1 und v_F1. Die mit dem vollständigen Kalman-Filter, das den gesamten Fre quenzbereich erfaßt, gewonnene Kurve v_B1 zeigt bezüglich der Richtung und den Nulldurchgängen fast den gleichen Ver lauf wie das "geschätzte" Signal v_F1.

Die Darstellung der Dämpfergeschwindigkeit v_B2 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_B2 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 praktisch allein von Bedeutung sind. Es besteht eine ähnlich gute Übereinstimmung zwischen den Signalverläufen v_B3 und v_F3 wie in den Fig. 2 und 3.

Claims

1. Fahrwerksregelungssystem für Kraftfahrzeuge, mit semi-ak tiven, in Abhängigkeit von Größe und Richtung der vertika len Aufbau-Geschwindigkeit und der Dämpfergeschwindigkeit geregelten Schwingungsdämpfern, bei denen die Größe des Dämpferwegs in ihrem zeitlichen Verlauf durch Dämpferweg- Sensoren erfaßbar ist, mit elektronischen Schaltkreisen zur Auswertung der von den Dämpferweg-Sensoren gelieferten Signale und Erzeugung von Dämpferansteuerungssignalen, wobei zur Bestimmung der Aufbaugeschwindigkeit die Signale der Dämpferweg-Sensoren in einem Filter ausgewertet wer den, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der Aus gangssignale der Dämpferweg-Sensoren (S₁-S₄) ein Filter (3) vorgesehen ist, dessen Übertragungsverhalten unter Konzentration auf einen Frequenzbereich, dessen untere Grenze etwa bei dem 0,1-0,5fachen der Eigenfrequenz des Fahrzeugaufbaus liegt und dessen obere Grenze etwa das 1,2-2fache der Eigenfrequenz des Rades beträgt, dem Über tragungsverhalten eines das ganze auftretende Frequenz spektrum abdeckenden Filters, z. B. eines diskreten Kalman- Filters, linear angenähert ist.

2. Fahrwerksregelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Übertragungsverhalten des Filters (3) auf einen Bereich zwischen etwa 0,2 und 20 Hz, insbesonde re zwischen 0,5 und 16 Hz, konzentriert ist.

3. Fahrwerksregelungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsverhalten des Filters (3) durch Berechnung eines Kalman-Filters für 1/4 Fahr zeugmodell sowie durch Anpassung an ein vorgegebenes Straßen- bzw. Störprofil festgelegt wird.

4. Fahrwerksregelungssystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das Fil ter die kontinuierliche Übertragungsfunktion H(s) gilt:
mit
T_D ≈ D/M_b
T₁ ≈ 2 . . . 5 × 1/(2π f_A)
T₂ ≈ 0,5 . . . 0,8 × 1/(2π f_R)
wobei bedeuten:
D = Dämpferkonstante
M_b = Masse des Fahrzeugaufbaus
s = Laplace-Operator
f_A = Aufbaueigenfrequenz
f_R = Radeigenfrequenz.

5. Fahrwerksregelungssystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schwingungsdämpfer mit einem Dämpferwegsensor (s1-s4) ausgerüstet ist.