DE4313973C2 - Aktive Federung einer Masse, insbesondere Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeuges - Google Patents
Aktive Federung einer Masse, insbesondere Fahrerhausfederung eines NutzfahrzeugesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine aktive Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeuges, zur
Reduzierung von Schwingungen des Fahrerhauses, mit einem Aktivfedersystem
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus WO 90/12700 ist eine Federung der vorgenannten Art
bekannt, wobei als längenveränderlicher Aktivzylinder parallel
zu den Fahrzeugtragfedern ein Hydraulikstellzylinder vorgese
hen ist. Fahrzeugtragfeder und Hydraulikstellzylinder sind
zwischen dem Aufbaueines Personenkraftwagens und der Fahr
zeugrad-Naben-Anordnung befestigt. Die gesamte aktive Fahr
zeugfederung ist sehr aufwendig und kostenintensiv getroffen,
insbesondere im Hinblick auf die verwendete Hydraulik.
Grundsätzlich stehen bei einer radgestützten Aufbaufederung
sowohl die sicherheitsrelevante Reduktion der Radlastschwan
kung als auch die Komfortverbesserung als Ziel im Vordergrund,
während bei einer Fahrerhausfederung die Steigerung des Kom
forts primäres Ziel ist. Der durch die Regelung zu berücksich
tigende Frequenzbereich ist bei einer Aufbaufederung viel
größer (bis etwa 30 Hz) als bei einer Fahrerhausfederung (bis
etwa 12 Hz). Die Führungsgröße, nämlich die vertikale Radbewe
gung, unterliegt einer Rückwirkung durch die Reifenfeder, die
eine andere Charakteristik aufweist als die Federung des Rah
mens eines Lastkraftwagens. Darüberhinaus ist die Druckölver
sorgung der Hydraulik und die dazugehörigen Steuerelemente bei
einem Personenkraftwagen in der gefederten Masse (Aufbau)
untergebracht, während sie bei der aktiven Fahrerhausfederung
des Lastkraftwagens zur nicht aktiv gefederten Masse (Rahmen)
gehört. Im Gegensatz zu einem Personenkraftwagen kann hier die
Druckölversorgung und Druckölsteuerung vom Zylinderfuß her
erfolgen.
Prinzipiell treten bei einem Ersatz einer konventionellen, d. h.
einer passiven Federung durch eine vollaktive Federung, bei
der die Wirkung der Feder durch ein hydraulisches System nach
gebildet wird, zwei Schwierigkeiten auf:
- 1. Das hydraulische System ist erheblich steifer als die für eine passive Federung üblicherweise verwendeten Schrauben-, Blatt- oder Luftfedern. Störungen, die von der Steuerung bzw. Regelung des Hydrauliksystems nicht erfaßt werden oder denen die Hydraulik aus physikalischen Gründen nicht begegnen kann, werden nahezu ungeschwächt auf die gefederte Masse (z. B. das Fahrerhaus) übertra gen. Dies trifft vor allem auf Störungen zu mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz der Aktivfederung, die durch die Hardware, aber auch durch die Signalverar beitungsgeschwindigkeit gegeben ist. Die Federungswirkung der passiven Federung wird hingegen bei hohen Frequenzen durch die Massenträgheit der gefederten Masse unter stützt. Dies zeigt sich in der sogenannten Vergrößerungs funktion passiver Federungen, die, unabhängig vom Dämpfungsmaß, für hohe Frequenzen gegen Null streben.
- 2. Da bei den gegenwärtigen Hydrauliksystemen eine Energie rückgewinnung nicht möglich ist, oder zu aufwendig wäre, steigt der energetische Aufwand mit der Frequenz der aus zugleichenden Störung überproportional, weil nicht nur die Hin-, sondern auch die Rückbewegung mit einem Ener gieverbrauch verbunden ist, und darüberhinaus die Strö mungswiderstände mit der Geschwindigkeit zunehmen (die Anregungsamplituden werden allerdings mit zunehmender Frequenz kleiner).
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer aktiven Fede
rung, insbesondere Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeugs, die
einfach aufgebaut ist und eine weitere Verbesserung des
Schwingungskomforts mit Hilfe einer besseren Regelungsgüte
bzw. Steuerungsgenauigkeit der aktiven Federung ermöglicht,
welche mit geringem energetischen Aufwand betrieben werden
kann.
Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch
die angegebenen Merk
male des Anspruchs 1.
Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch
die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 14.
Wesen der Erfindung ist die Anordnung zumindest eines elasti
schen Elements zwischen dem eigentlichen Aktivfedersystem und
der gefederten Masse, insbesondere einem gefederten Fahrerhaus
eines Nutzfahrzeuges, sowie die Wahl der Bewegung des oberen
Befestigungspunktes des Aktivzylinders als Regelgröße (im Sinn
der Regelungstechnik). Zur Bestimmung dieser Regelgröße stehen
mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, insbesondere die direkte
Messung mittels eines Beschleunigungssensors am oberen Befe
stigungspunkt oder eine indirekte Bestimmung unter Verwendung
des Zylinderwegs.
Nachteilig ist die bisher bekannte Wahl der Bewegung der aktiv
gefederten Masse als Regelgröße, weil infolge der Elastizität
zwischen der Masse und dem Aktivzylinder Verzögerungszeiten in
der Regelung bzw. Steuerung entstehen, die die Güte der
Schwingungsisolierung vermindern.
In der erfindungsgemäßen Ausführung stützt sich die aktiv
gefederte Masse mit seinen zusätzlichen Federelementen auf
einer im Inertialsystem durch Regelung stabilisierten Ebene
ab. Diese durch die oberen Befestigungspunkte der Aktivzylin
der definierte Ebene absorbiert die Schwingungseinwirkung bis
zur oberen Grenzfrequenz der Aktivfederung. Eine genaue
Abstimmung der Schwingungsübertragungsfunktionen der aktiven
und der dazu in Reihe geschalteten passiven Federung ermög
licht eine erhebliche Schwingungsreduktion im ganzen Frequenz
bereich. Dabei muß die Eigenfrequenz der passiven Federung
kleiner gewählt werden als die Grenzfrequenz der Aktivfede
rung. Durch eine gezielte Zurücknahme der Grenzfrequenz des
Aktivfedersystems läßt sich ein System mit baulich und energe
tisch geringem Aufwand realisieren.
Der Beschleunigungssensor wird vorzugsweise am masseseitigen
Befestigungspunkt des Aktivzylinders plaziert. Die Beschleuni
gungen der übrigen Komponenten der Schwingungsübertragungs
kette: Räder (Achsen), Aufbau bzw. Rahmen und Fahrerhaus wer
den dann durch Addition von zweimal differenzierten
Relativwegsignalen ermittelt, die ohnehin aus Sicherheitsgrün
den vorhanden (Kolbenstangenweg am Aktivzylinder) oder relativ
leicht zu messen sind (integrierter Wegsensor im Stoßdämpfer
der Achsfederung).
Alternativ hierzu können die Beschleunigungssignale nach
geeigneter Filterung und unter Beachtung der Vorschrift, daß
das Wegsignal beschränkt bleiben muß (kein lineares oder para
bolisches Wegdriften) durch zweifache Integration in ein abso
lutes Wegsignal umgerechnet und entsprechend mit den Rela
tivwegsignalen verknüpft werden.
Der Vorteil dieses Vorgehens ist, daß der Sensor am massesei
tigen Befestigungspunkt des Aktivzylinders sowohl besser vor
Umwelteinflüssen geschützt als auch geringerer Schwingbela
stung ausgesetzt ist. Sein Beschleunigungssignal kann mittels
eines Bandpasses auf das Frequenzintervall beschränkt werden,
das der Steuerung bzw. der Regelung zugänglich ist.
Möglich ist z. B. eine Regelung in Anlehnung an das Sky-hook-
Prinzip, d. h. die Rückführung der Geschwindigkeit des masse
seitigen Aktivzylinderpunktes in einer Regelschleife, wobei
durch das Fernhalten von Elastizitäten aus dem Regelkreis eine
erheblich bessere Regelgüte erreichbar ist. Ein Optimum, das
für den Frequenzbereich einer solchen Sky-hook-Regelung gefun
den wurde, bleibt auch unter Berücksichtigung des nachgeschal
teten elastischen Elements erhalten.
Die Erfindung der integralen aktiven Federung wird nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen für eine Fahrerhausfederung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungn näher erläu
tert; es zeigen:
Fig. 1 eine integrale aktive Fahrerhausfederung mit einer
Schraubenfeder als zusätzliches - in Reihe geschal
tetes - elastisches Element zwischen dem eigentli
chen Aktivfedersystem und dem Fahrerhaus in schema
tischer Darstellung,
Fig. 2 eine andere aktive Fahrzeugfederung mit einem Gummi
element als zusätzliches elastisches Element, und
Fig. 3 eine integrale aktive Fahrerhausfederung mit einer
Hydropneumatik als zusätzlicher Federung.
Die in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichte integrale aktive
Fahrzeugfederung ist insbesondere als Fahrerhausfederung (1)
zwischen einem Fahrerhaus (2) und einem Fahrzeugrahmen (3)
konzipiert. Das Fahrerhaus-Aktivfedersystem besteht grundsätz
lich aus einem hydraulischen am Fahrzeugrahmen (3) angelenk
ten, längenveränderbaren Aktivzylinder (4) mit Kolbenstange
(6) sowie - vorteilhaft aber nicht notwendigerweise - parallel
zum Aktivzylinder (4) angeordneten Fahrerhaustragfedern, welche
sich unterseitig ebenfalls auf dem Fahrzeugrahmen (3)
abstützen. Am oberen freien Ende der Kolbenstange (6) ist ein
Querelement (13) befestigt, welches als obere Abstützung der
Fahrerhaustragfedern (5) dient. Dieses Element (13) steht fer
ner in einer festen Verbindung mit einem elastischen Element
(7), welches seinerseits fest mit dem Fahrerhaus (2) verbunden
ist.
Es wird also zu einer Aktivfederung eine zusätzliche elasti
sche Lagerung (7) in Reihe geschaltet.
Es ist bekannt (Lehrbuchwissen), daß die Vergrößerungsfunktion
eines Einmassenschwingers, mit der das Federungsverhalten
einer passiven Federung beschrieben werden kann, jenseits der
Eigenfrequenz umso steiler abfällt, je geringer die Dämpfung
ist. Bei dem √2-fachen der Eigenfrequenz unterschreitet sie
stets die 1.0-Linie, d. h. jenseits dieser Frequenz
(überkritischer Bereich) ist die Amplitude der Schwingung der
gefederten Masse kleiner als die Amplitude der Anregung.
Ist die Übertragungsfunktion der Aktivfederung bekannt, dann
ist bei bekannter Masse die Federkonstante des passiven Feder
elements so zu wählen, daß beide Übertragungsfunktionen zusam
men ein Minimum an Schwingung übertragen:
Vgtot = ∫Vakt.Vpas.w(f)df = Min
Der Gewichtungsfaktor w(f) kann dazu dienen, besonders kriti
sche Frequenzen stärker zu dämpfen, z. B. um die Frequenzab
hängigkeit der menschlichen Schwingungsempfindung zu berück
sichtigen. Da die Dämpfung möglichst klein sein sollte und die
Masse als konstant angesehen werden kann, steht für die Opti
mierung nur die Federkonstante c zur Verfügung:
∂/∂c∫Vakt.w.Vpas(c)df = 0;
∂/∂c∫Vakt.w.Vpas(c)df = 0;
Normalerweise genügt jedoch eine empirische Anpassung anhand
der gemessenen Übertragungsfunktion der Aktivfederung, so daß
die etwas langwierige Auswertung des analytischen Ausdrucks
nicht notwendig ist. Liegt beispielsweise die obere Grenz
frequenz der Aktivfederung bei etwa 7-8 Hz, dann muß die
Eigenfrequenz des elastischen Elements bei etwa 3 Hz liegen,
um einen Übertragungsfaktor von weniger als 0,25 zu erreichen.
Für das elastische Element kommt an sich jedes elastische
Prinzip in Frage, das auf Druck wirkt. Neben einer Schrauben
feder (7) gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird auch ein
Gummielement, beispielsweise ein Silentgummiblock (8) mit
seitlichen Befestigungsplatten (9) und (10) gemäß Ausführungs
beispiel nach Fig. 2 als besonders günstig angesehen, wie auch
eine hydropneumatische Federung (11) gemäß Ausführungsbeispiel
nach Fig. 3, welche - wenn auch in anderer Form - bereits
ebenfalls in Großserien erprobt ist.
Jede der drei veranschaulichten Ausführungsvarianten gemäß den
Fig. 1 bis 3 umfaßt einen Aktivzylinder (4) mit einem
Beschleunigungssensor (12), welcher am oberen Ende der Kolben
stange (6) oder an einem fest mit der Kolbenstange (6) verbun
denen Bauteil, z. B. der Befestigungsplatte (10) gemäß Fig. 2
angeordnet ist. Die Beschleunigungen der übrigen Komponenten
der Schwingungsübertragungskette: Räder (Achsen), Aufbau bzw.
Rahmen (3) und Fahrerhaus (2) werden z. B. durch Addition von
zweimal differenzierten Relativwegsignalen ermittelt, die
ohnehin aus Sicherheitsgründen vorhanden sind
(Kolbenstangenweg am Aktivzylinder) oder relativ leicht zu
messen sind (integrierter Wegsensor im Stoßdämpfer der Achs
federung).
Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeichnung
dargestellten neuen Merkmale allein oder in sinnvoller Kombi
nation sind erfindungswesentlich, auch soweit sie in den
Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.
Claims (14)
1. Aktive Fahrerhausfederung (1) eines Nutzfahrzeuges, zur Reduzierung von
Schwingungen des Fahrerhauses (2), mit einem Aktivfedersystem, welches min
destens einen durch eine Steuer-/Regeleinrichtung angesteuerten Aktivzylinder
(4) sowie eine parallel zum Aktivzylinder (4) wirkende Fahrerhaustragfeder (5)
umfaßt, wobei der Aktivzylinder (4) und die Fahrerhaustragfeder (5) parallel zu
einander zwischen dem Fahrzeugrahmen (3) und einem starren Querelement
(13) angeordnet sind und das Fahrerhaus (2) mit dem Querelement (13) durch
zumindest ein zusätzliches elastisches Element (7, 8, 11) verbunden ist, sowie
mit einem Sensor (12) zur Ermittlung einer Regelgröße bzw. Eingangsgröße für
die Steuer-/Regeleinrichtung des Aktivzylinders (4), welcher Sensor (12) dazu
vorgesehen ist, die Bewegung eines festen Punktes des Aktivzylinders (4) in Be
zug auf das Querelement (13) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das
Aktivfedersystem dazu vorgesehen ist, bei Frequenzen bis zu einer vorbestimm
ten oberen Grenzfrequenz zu schwingen, und daß die Eigenfrequenz des elasti
schen Elements (7, 8, 11) kleiner ist als die obere Grenzfrequenz des Aktivfeder
systems.
2. Aktive Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ela
stische Element (7, 8, 11) auf solche Weise ausgebildet ist, daß an der Grenzfre
quenz des Aktivfedersystems ein Übertragungsfaktor von weniger als 0,25 er
reicht wird.
3. Aktive Federung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere
Grenzfrequenz zwischen 7 und 8 Hz liegt und daß die Eigenfrequenz des elasti
schen Elements (7, 8, 11) bei etwa 3 Hz liegt.
4. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß das elastische Element (7, 8, 11) eine mit Druck beanspruchte Schrau
benfeder (7) ist (Fig. 1).
5. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß das elastische Element (7, 8, 11) ein Gummielement ist.
6. Aktive Federung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gummielement ein Silentgummiblock (8) mit endseitigen Befestigungsplatten (9,
10) ist.
7. Aktive Federung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen
sor (12) ein Beschleunigungssensor (12) ist und zur Ansteuerung des Aktivzylin
ders (4) an der der Kolbenstange (6) zugeordneten Befestigungsplatte (10) des Si
lentgummiblocks (8) befestigt ist.
8. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß das elastische Element (7, 8, 11) eine hydropneumatische Federung
(11) ist (Fig. 3).
9. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich
net, daß neben der Bewegung des masseseitigen Befestigungspunktes des Ak
tivzylinders (4) noch weitere Größen zur Ansteuerung des Aktivzylinders heran
gezogen werden.
10. Aktive Federung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Be
schleunigungen anderer Komponenten der Schwingungsübertragungskette (Rä
der/Achsen, Aufbau/Rahmen (3), Fahrerhaus (2)) durch Addition von zweimal
differenzierten entsprechenden Relativwegsignalen ermittelt und zur Ansteue
rung des mindestens einen Aktivzylinders herangezogen werden.
11. Aktive Federung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Be
schleunigungssignale gefiltert und unter Beschränkung des Wegsignals durch
zweifache Integration in ein absolutes Wegsignal umgerechnet und entspre
chend mit den Relativwegsignalen verknüpft werden.
12. Aktive Federung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Be
schleunigungssignal des Aktivzylinders (4) mittels eines Bandpasses auf ein Fre
quenzintervall beschränkt wird, welches der Steuerung des Aktivzylinders (4) zu
gänglich ist.
13. Aktive Federung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Messung des Relativwegs des Aktivzylinders (4) ein Weggeber in die Kolbenstan
ge (6) des Aktivzylinders (4) integriert ist.
14. Aktive Federung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Messung des Relativwegs zu anderen passiv gefederten Komponenten der
Schwingungsübertragungskette ein Weggeber in die Kolbenstange eines Schwin
gungsdämpfers integriert ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19934313973 DE4313973C2 (de) | 1993-04-28 | 1993-04-28 | Aktive Federung einer Masse, insbesondere Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeuges |
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DE19934313973 DE4313973C2 (de) | 1993-04-28 | 1993-04-28 | Aktive Federung einer Masse, insbesondere Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeuges |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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ID=6486641
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