DE4241249A1 - Motor vehicle suspension with skyhook active vibration dampers - suppresses wheel vibration by damping with linear relationship to three significant vertical velocities with constant coeffts. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kfz-Fahrwerk mit zwischen dem Fahr­ zeugaufbau und den Fahrzeugrädern oder deren Radführungsglie­ dern angeordneten Federvorrichtungen sowie nach dem Skyhook- Prinzip aktiv oder semiaktiv geregelten Schwingungsdämpfern, wie es beispielsweise aus der DE-A1-37 38 284 (Fig. 3 bis 5), der DE-A1-40 15 972 oder EP-A2-03 88 671 bekannt ist.

Das Skyhook-Prinzip stellt eine Regelstrategie dar, die sich sowohl für aktive als auch für semiaktive Dämpfungssysteme eig­ net. Sie geht von der Erkenntnis aus, daß konventionelle, d. h. nicht geregelte Schwingungsdämpfer von Kraftfahrzeugen unter Komfortgesichtspunkten sowohl einen positiven als auch einen negativen Aspekt besitzen; positiv insofern, als Aufbaubewegun­ gen gedämpft werden, negativ dagegen insofern, als der Aufbau des Fahrzeugs bei schnellen Radbewegungen über den Schwingungs­ dämpfer überhaupt erst zur Schwingung angeregt wird.

Die eigentliche Idee des Skyhook-Prinzips besteht nun darin, die materiell tatsächlich zwischen dem Fahrzeugaufbau und den Fahrzeugrädern oder deren Radführungsgliedern angeordneten Schwingungsdämpfer regelungstechnisch zwischen Fahrzeugaufbau und einer fiktiven festen Bezugsebene - dem "Himmel" (Sky) - anzuordnen, regelungstechnisch also quasi eine Art "Himmelan­ ker" oder "Himmelhaken" zu schaffen. Die Schwingungsdämpfer sprechen dann im Prinzip nur auf Absolutbewegungen bzw. Schwingungen des Fahrzeugaufbaus an, nicht aber auf Radbewe­ gungen bzw. Radschwingungen.

In den VDI-Berichten, Nr. 816, 1990 ist im Aufsatz "Entwick­ lungstrends bei aktiven Fahrwerkssystemen" auf den Seiten 499 bis 514, insbesondere auf den Seiten 508 bis 514, das Prinzip solcher Skyhook-Dämpfer erläutert.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­ de, ein Kfz-Fahrwerk der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art bezüglich Fahrkomfort und Fahrsicherheit weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden den Fahrzeugrädern oder deren Radfüh­ rungsgliedern zur unmittelbaren Dämpfung der Radschwingungen jeweils zusätzlich Schwingungstilger zugeordnet, und zwar steu­ er- oder regelbare Schwingungstilger, die in ihrer Dämpfung nach der Beziehung

F_DT = k₁ · _S+k₂ · _R+k₃ · _T

gesteuert oder geregelt sind, worin F_DT jeweils die Dämpferkraft der Schwingungstilger, _S die Stör- bzw. Straßen-Eingangssgeschwindigkeit (Erregung), _R die vertikale Geschwindigkeit der Fahrzeugräder und _T die vertikale Geschwindigkeit der Tilgermassen der Schwingungstilger bedeuten. k₁ bis k₃ stellen konstante Faktoren dar, insbesondere Dämpfungsbeiwerte.

Die Schwingungstilger werden in ihrer Dämpfung also nach einer Art "Bodenkleber-Prinzip" gesteuert bzw. geregelt, d. h. der­ art, daß die Fahrzeugräder nach Möglichkeit quasi an der Fahr­ bahn bzw. am Boden "kleben".

Durch die Kombination der nach dem "Bodenkleber-Prinzip" aktiv oder semiaktiv gesteuerten bzw. geregelten Schwingungstilger mit in bekannter Weise zwischen Fahrzeugaufbau und Fahrzeugrä­ dern oder deren Radführungsgliedern angeordneten Schwingungs­ dämpfern, die ihrerseits nach dem Skyhook-Prinzip semiaktiv oder aktiv geregelt sind, wird in vorteilhafter Weise eine Ver­ besserung sowohl des Fahrkomforts als auch der Bodenhaftung er­ reicht, ohne daß die Federvorrichtungen weicher bemessen werden müßten oder aber größere Federwege die Folge wären.

Es treten in vorteilhafter Weise kleinere Dämpferkräfte und we­ sentlich kleinere Aufbaubeschleunigungen auf. Der Fahrzeugauf­ bau selbst bleibt ruhiger und die Relativwege Fahrzeugaufbau/ Fahrzeugräder werden kleiner. Letztlich ergeben sich auch klei­ nere Radlastschwankungen.

Die im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 1 bis 1,5 Hz liegenden Aufbauschwingungen und die im allgemeinen etwa in der Größenordnung von 10 bis 15 Hz liegenden Radschwingungen eines Kraftfahrzeuges getrennt voneinander zu dämpfen, und zwar die Aufbauschwingungen mit Hilfe von zwischen Fahrzeugaufbau und Rädern bzw. Radführungsgliedern angeordneten Schwingungsdämp­ fern und die Radschwingungen mittels den Rädern oder deren Rad­ führungsgliedern zugeordneten Schwingungstilgern, ist an sich allgemein bekannt, u. a. aus der DE-A1-39 13 528 und der DE-OS 14 30 836. Diese bekannten Fahrwerke stellen jedoch keine akti­ ven Fahrwerksysteme dar, sondern Fahrwerke mit passiven Schwin­ gungsdämpfern und ebenfalls passiven Schwingungstilgern, so daß trotz allem nur beschränkte Möglichkeiten zur Optimierung der Federungs- und Dämpfungseigenschaften des Fahrzeugs bestehen.

In wissenschaftlichen Abhandlungen (z. B. Buch von Bernd Rich­ ter "Schwerpunkte der Fahrzeugdynamik", Verlag TÜV Rheinland GmbH, Köln 1990, Kapitel "Federungssystem mit Tilger", Seiten 60 bis 68, insbesondere Seite 65 mit Bild 2.6.3 ist auch be­ reits auf die grundsätzliche Möglichkeit des Einsatzes von ak­ tiven, d. h. in ihrer Dämpfungskraft gesteuerten bzw. geregel­ ten Schwingungstilgern hingewiesen.

Dieser Hinweis erfolgt jedoch nur in Verbindung mit einem kon­ ventionellen, d. h. nicht aktiven Kfz-Federungs/Dämpfungssy­ stem.

Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher er­ läutert.

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Kfz-Fahrwerk in gewohnt schematisierter Weise dargestellt, und zwar auf eines der Fahr­ zeugräder bezogen.

Zwischen dem Fahrzeugaufbau 1 und den einzelnen Fahrzeugrädern 2 oder deren nicht weiter angedeuteten Radführungsgliedern ist in üblicher Weise jeweils eine Federvorrichtung 3 sowie ein Schwingungsdämpfer 4 angeordnet.

Den Fahrzeugrädern 2 oder deren Radführungsgliedern ist darüber hinaus zur unmittelbaren Dämpfung der Radschwingungen jeweils ein Schwingungstilger 5 mit einer Tilgermasse 51 zugeordnet, dessen Tilgerfeder mit 52 und dessen Tilgerdämpfer mit 53 be­ ziffert sind.

Die Masse des Schwingungstilgers 51 ist dabei mit M_T, die Masse des Fahrzeugrades 2 einschließlich der nicht gefederten Teile seiner Radführung mit M_R und die für das einzelne Fahrzeugrad anteilige Masse des Fahrzeugaufbaus mit M_A bezeichnet. In ent­ sprechender Weise sind die Federkonstante der Federvorrichtung 3 mit c_A, die Federkonstante der Dämpferfeder 52 mit c_T und die Reifenfederkonstante des Fahrzeugrades 2 mit c_R symbolisiert.

Die zwischen Fahrzeugaufbau 1 und Fahrzeugrädern 2 wirksamen Schwingungsdämpfer 4 sind als in ihrer Dämpferkraft steuer- bzw. regelbare Dämpfer ausgebildet, die mittels eines z. B. Mi­ kroprozessoren o. ä. enthaltenden Reglers 6 nach dem bekannten Skyhook-Prinzip aktiv, d. h. erforderlichenfalls auch unter Zu­ fuhr von Stellenergie, oder semiaktiv, d. h. allein durch Steu­ erung von Durchflußquerschnitten der Dämpfer, geregelt werden. Strichliert angedeutet ist, daß dem Regler für diese Aufgabe geeignete Sensorsignale zugeführt werden müssen, die für die verschiedensten Betriebsparameter des Fahrzeugs aussagefähig sind, wie z. B. für die absoluten oder relativen Vertikalbewe­ gungen von Aufbau 1 und Fahrzeugrad 2 oder für die entsprechen­ den Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen. Hierfür vorgesehe­ ne Weg- und/oder Beschleunigungssensoren etc. sind nicht weiter dargestellt.

Der dem Fahrzeugrad 2 zugeordnete, d. h. mit diesem oder dessen Radführungsglied mechanisch unmittelbar gekoppelte Schwingungs­ tilger 5 ist ebenfalls nicht als passives, sondern als aktives Bauelement ausgebildet, nämlich in dem Sinne, daß die Dämpfung der Schwingungen seiner federnd aufgehängten Tilgermasse 51 ge­ steuert bzw. geregelt wird.

Diese wiederum aktive oder semiaktive Steuerung oder Regelung der Dämpfung des Schwingungstilgers 5 erfolgt wiederum mit Hil­ fe eines vorzugsweise Mikroprozessoren o. ä. enthaltenden Reg­ lers 7, dem zu diesem Zwecke wiederum geeignete Sensorsignale zugeführt werden, die für diverse aktuelle Betriebsparameter des Fahrzeuges aussagefähig sind. Diese Sensorsignale sind wie­ derum nur gestrichelt angedeutet.

Die Steuerung oder Regelung der Dämpfung der Schwingungen der Tilgermasse 51 erfolgt erfindungsgemäß nach einer Art "Boden­ kleber-Prinzip", d. h. derart, daß die Fahrzeugräder 2 nach Möglichkeit quasi am Boden, d. h. an der Fahrbahn "kleben".

Hierfür werden die Schwingungstilger 5 in ihrer Dämpfung derart aktiv oder semiaktiv gesteuert bzw. geregelt, daß für die Dämp­ ferkraft F_DT des Schwingungstilgers 5 die Beziehung gilt

F_DT = k₁ · _S+k₂ · _R+k₃ · _T

In dieser Beziehung stellen _S, _R und _T jeweils die 1. zeit­ liche Ableitung der in Fig. 1 angedeuteten Fahrbahnwelligkeit z_S, der Vertikalbewegung z_R des Fahrzeugrades 2 sowie der Ver­ tikalbewegung z_T der Tilgermasse 51 dar, d. h. also die Stör- bzw. Straßen-Eingangsgeschwindigkeit (Erregung), die vertikale Geschwindigkeit des Fahrzeugrades 2 bzw. die vertikale Ge­ schwindigkeit der Tilgermasse 51 des Schwingungstilgers 5.

Die Faktoren k₁, k₂ und k₃ stellen aufeinander abgestimmte kon­ stante Faktoren dar, die u. a. Dämpfungsbeiwerte, z. B. Reifen­ dämpfungsbeiwerte berücksichtigen. Sie sind vorzugsweise derart gewählt, daß sie zueinander etwa im Verhältnis k₁ : k₂ : k₃=(1,5 bis 2,7) : 1 : (0,1 bis 0,25) stehen.

Mit Vorzug sind die Schwingungstilger 5 in ihrer Eigenfrequenz ω_T jeweils etwa auf das 0,7-fache der Eigenfrequenz ω_R der Fahrzeugräder 2 abgestimmt und die drei Faktoren etwa in das Verhältnis k₁ : k₂ : k₃ = 2,5 : 1 : 0,2 zueinander gebracht und der Faktor k₂ etwa zu

bemessen, worin c_T die Federkonstante und M_T die Masse des Schwingungstilgers 5 bedeuten.

Wie Vergleichs-Simulationen zeigten, lassen sich bei einem Mit­ telklassefahrzeug mit einer Gesamtaufbaumasse von etwa 1000 kg, einer Radmasse (einschließlich der anteiligen Masse des zuge­ ordneten nicht gefederten Radführungsgliedes) von etwa 40 kg, einer üblichen Aufbaufederkonstanten c_A von etwa

und einer üblichen Reifenfederkonstante c_R von etwa

mit einer derartigen Auslegung des erfindungsgemäßen aktiven Kfz-Fahrwerks mit einem Schwingungstilger mit einer Tilgermasse von etwa 4 kg weitgehend optimale Verhältnisse erzielen, d. h. bei sehr gutem Bodenkontakt ein hervorragender Fahrkomfort.

Im Vergleich der Fig. 2a und 2b, in denen der zeitliche Ver­ lauf einiger Betriebsparameter einerseits eines Kfz-Fahrwerks mit konventioneller Schwingungsbedämpfung und andererseits ei­ nes erfindungsgemäßen Kfz-Fahrwerks bei gleicher Fahrbahnwel­ ligkeit z_S einander gegenübergestellt sind, ist gut zu erken­ nen, daß sich mit einem erfindungsgemäßen Fahrwerk kleinere Tilger-Dämpferkräfte F_DT, wesentlich kleinere Aufbaubeschleuni­ gungen z_A, kleinere Schwankungen der Radlast p_R und eine we­ sentlich ruhigere Lage, d. h. wesentlich kleinere Vertikalbewe­ gungen z_A des Fahrzeugaufbaus 1 erzielen lassen, ohne daß grö­ ßere Federwege, d. h. größere vertikale Relativbewegungen z_A- z_R zwischen Fahrzeugaufbau 1 und Fahrzeugrad 2 die Folge wären.

Bei diesem Vergleich wurde einerseits bei der konventionellen Schwingungsbedämpfung ein Dämpfungsbeiwert k = 700 Ns/m und andererseits beim erfindungsgemäßen Fahrwerk Dämpfungsbeiwerte k₁ = 1800 Ns/m, k₂ = 685 Ns/m und k₃ = 140 Ns/m angenommen.

Die beim erfindungsgemäßen Fahrwerk erforderlichen wesentlich kleineren Tilger-Dämpferkräfte sind u. a. von Vorteil, weil die Erzeugung größerer Dämpferkräfte erheblich schwieriger und auf­ wendiger wäre. Kleinere Tilger-Dämpferkräfte sind besonders dann von Bedeutung, wenn sie elektromagnetisch erzeugt werden sollen. Eine elektromagnetische Erzeugung der Dämpfer-Stell­ kräfte wäre wünschenswert, weil sich dann die Regelung verein­ facht und außerdem feste Reibung vermieden werden kann.

Wenn die Steuerung bzw. Regelung der Schwingungstilger 5 nicht semiaktiv, sondern aktiv erfolgt, d. h. durch eine geeignete Zwangsbewegung der Tilgermasse, dann werden hierzu im allge­ meinen hydraulisch steuerbare Dämpferelemente eingesetzt wer­ den. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, elektromagnetisch arbeitende Dämpfer einzusetzen und in diesem Zusammenhang die in Phasen mit Leistungsüberschuß anfallende elektrische Energie in einem Kondensator zu speichern und in Phasen benötigter Stellenergie wieder aus diesem Kondensator zu aktivieren.

Die für die aktive oder semiaktive Regelung der Dämpfung des Schwingungstilgers 5 benötigte Kenntnis der Absolutgeschwindig­ keiten _R des Fahrzeugrades 2 und _T der Tilgermasse 51 des Schwingungstilgers 5 kann in einfacher Weise mit Hilfe bekann­ ter Beschleunigungsmesser ermittelt werden. Die Stör- bzw. Straßen-Eingangsgeschwindigkeit (Erregung) _S kann wiederum z. B. aus der Reifendeformation, des Reifeninnendrucks u. a. gewonnen werden.

Claims (3)

1. Kraftfahrzeug-Fahrwerk mit zwischen dem Fahrzeugaufbau (1) und den Fahrzeugrädern (2) oder deren Radführungsgliedern angeordneten Federvorrichtungen (3) sowie nach dem Skyhook- Prinzip aktiv oder semiaktiv geregelten Schwingungsdämpfern (4), dadurch gekennzeichnet, daß den Fahrzeugrädern (2) oder de­ ren Radführungsgliedern zur unmittelbaren Dämpfung der Rad­ schwingungen jeweils steuer- oder regelbare Schwingungstil­ ger (5) zugeordnet sind, welche in ihrer Dämpfung nach der Beziehung F_DT = k₁ · _S+k₂ · _R+k₃ · _Tgesteuert oder geregelt sind, worin F_DT die Dämpferkraft des Schwingungstilgers (5), _S die Stör- bzw. Straßen-Eingangssgeschwindigkeit (Erregung), _R die vertikale Geschwindigkeit des Fahrzeugrades (2), _T die vertikale Geschwindigkeit der Tilgermasse (51) des Schwin­ gungstilgers (5) und k₁, k₂, k₃ aufeinander abgestimmte konstante Faktoren sind.

2. Kraftfahrzeug-Fahrwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Faktoren zueinander etwa im Verhältnis k₁ : k₂ : k₃ = (1,5 bis 2,7) : 1 : (0,1 bis 0,25) stehen.

3. Kraftfahrzeug-Fahrwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungstilger (5) in ihrer Eigenfrequenz ω_T jeweils auf das etwa 0,7-fache der Eigenfrequenz ω_R der Fahrzeugräder (2) abgestimmt sind und daß die drei Faktoren zueinander etwa im Verhältnis k₁ : k₂ : k₃ = 2,5 : 1 : 0,2 stehen, wobei der Faktor k₂ etwa gleich ist, worin c_T die Federkonstante und M_T die Masse des Schwingungstilgers (5) bedeuten.