DE4315917C2 - Einrichtung zum Schätzen der auf eine Fahrzeug-Radaufhängung einwirkenden Schwingungen - Google Patents
Einrichtung zum Schätzen der auf eine Fahrzeug-Radaufhängung einwirkenden SchwingungenInfo
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- DE4315917C2 DE4315917C2 DE4315917A DE4315917A DE4315917C2 DE 4315917 C2 DE4315917 C2 DE 4315917C2 DE 4315917 A DE4315917 A DE 4315917A DE 4315917 A DE4315917 A DE 4315917A DE 4315917 C2 DE4315917 C2 DE 4315917C2
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Schätzen der
auf eine Fahrzeug-Radaufhängung einwirkenden Schwingungen
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Einrichtung ist für ein
Aufhängungssteuersystem geeignet, das auf der Grundlage einer in
Fahrtrichtung vor dem zu steuernden Rad erfaßten Fahrbahninformati
on eine prädiktive Steuerung eines zwischen dem zu steuernden Rad
und der Fahrzeugkarosserie angeordneten Betätigungselementes aus
führen kann.
Eine Einrichtung zum Schätzen der auf eine Fahrzeug-Radaufhängung
einwirkenden Schwingungen ist beispielsweise aus der JP 61-166715-A
bekannt, in der an einem Aufhängungsträger eines Vorderrades ein Be
schleunigungssensor angeordnet ist, der die durch eine Bewegung des
Vorderrades in einer Richtung senkrecht zur Fahrbahn erzeugte Verti
kalbeschleunigung erfaßt und die Aufhängungscharakteristik eines
Hinterrades des Fahrzeugs auf der Grundlage des Wertes der Vertikal
beschleunigung ändert. Da der Beschleunigungssensor für die Erfas
sung der Vertikalbeschleunigung am Aufhängungsträger angebracht ist,
ist es jedoch schwierig, mit der Einrichtung eine zufriedenstellende
Wirkung zu erzielen, weil der Sensor eine unzureichende Lebensdauer
und eine unzureichende Wetterbeständigkeit besitzt. Ferner ist es
schwierig, ausschließlich die Vertikalbeschleunigung des Rades genau
zu erfassen, weil die Fahrzeugkarosserie ebenfalls eine vertikale Bewe
gung ausführt, die an die Radaufhängung übertragen wird.
Ein weiterer Typ einer Einrichtung zum Schätzen der auf eine Fahr
zeug-Radaufhängung einwirkenden Schwingungen ist beispielsweise
aus der JP 61-135811-A bekannt, die mit einem Stoßdämpfungssystem
eines Fahrzeugs, dessen Räder zu Drehungen entlang der Fahrbahn an
getrieben werden, und mit einem Spindelmechanismus, der die Räder
und die Karosserie unterstützt, kombiniert ist. Der Spindelmechanismus
wird entsprechend der Unebenheit der Fahrbahn in vorgegebenen In
tervallen betätigt. Die Einrichtung enthält einen Detektor mit einem in
Fahrtrichtung vor dem Vorderrad angeordneten Ultraschallwandler, der
die Unebenheit der Fahrbahn erfaßt, eine Steuereinrichtung, die ent
sprechend dem Signal vom Detektor und einem Fahrgeschwindigkeits
signal die Expansion oder die Kontraktion des Spindelmechanismus be
fiehlt, sowie einen Ventilantriebsmechanismus, der ein elektromagneti
sches Ventil erregt, um den Wellenmechanismus gemäß dem Befehl
entweder mit Hydrauliköl zu beaufschlagen oder vom Hydrauliköl zu
entlasten. Da jedoch der Ultraschallwandler als kontaktloser Sensor für
die Erfassung der Unebenheit der Fahrbahn verwendet wird, wird die
Messung durch Schnee, Lehm und dergleichen möglicherweise fehler
haft sein. Ferner ist es schwierig, ausschließlich die Daten bezüglich
der Unebenheit der Fahrbahn aus den Meßdaten auszusondern, die auf
grund der Anordnung des Sensors an der Karosserie außerdem Daten
bezüglich der Schwingungen der Karosserie enthalten.
Aus der DE 41 32 276 A1 ist ein System zum Überwachen aktiver
Aufhängungen für ein Fahrzeug bekannt. Dazu werden Be
schleunigungssensoren für die Vertikal-, Längs- und Querbe
schleunigung der Karosserie bereitgestellt. Weiterhin dient ein
Aufhängungshubsensor für die Erfassung der Relativbewegung
zwischen jedem Rad und der Karosserie. Die Ausgangssignale des
Hubsensors und des Querbeschleunigungssensors werden
miteinander kombiniert und erzeugen zusammen mit einem Signal
für die Sollfahrzeughöhe ein Befehlssignal für die hydraulische
Steuerventile der Aufhängung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung anzugeben, mit
der die von einer Fahrbahn an die Radaufhängung eines Fahrzeugs
übertragenen Schwingungen zuverlässig erfaßt werden können.
Diese Aufgabe wird von einer Einrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Einrichtung dient dazu, den Hubweg der Auf
hängung als Wert zu erfassen, der durch Subtraktion der Vertikalbewe
gung des Rades von der Vertikalbewegung der Karosserie erhalten
wird, und die Verti
kalbeschleunigung der Karosserie mittels der Karosserievertikalbe
schleunigung-Erfassungseinrichtung zu erfassen. Die Hubgeschwindig
keit wird durch Differenzieren des Hubweges mittels der Differentiati
onseinrichtung erhalten und zu einer Vertikalgeschwindigkeit der Ka
rosserie addiert, welche durch Integration der Vertikalbeschleunigung
der Karosserie über die Zeit erhalten wird. Daher ist es mit der erfin
dungsgemäßen Einrichtung möglich, einen Schätzwert bezüglich des
Schwingungseingangs zu schaffen, der ausschließlich die Vertikalge
schwindigkeit des Rades angibt, indem die Vertikalgeschwindigkeit der
Karosserie, die in der Hubgeschwindigkeit enthalten ist, kompensiert
wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung umfaßt die Differentiationseinrichtung für die Berechnung der
Hubgeschwindigkeit durch Differenzieren des von der Huberfassungs
einrichtung erfaßten Hubweges nach der Zeit ein Hochpaßfilter mit ei
ner Grenzfrequenz, die auf einen Wert gesetzt ist, der im wesentlichen
doppelt so groß wie die Federunterseiten-Resonanzfrequenz ist, um in
einem weiten Frequenzbereich eine hohe Genauigkeit des geschätzten
Wertes bezüglich des Schwingungseingangs aufrechtzuerhalten.
Die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters hat in einem Frequenzbereich
oberhalb der Federoberseiten-Resonanzfrequenz Einfluß auf die Ab
senkung der Schwingungsübertragungsrate des von einer Fahrbahn an
die Federoberseite übertragenen Schwingungseingangs. Je höher die
Grenzfrequenz ist, desto höher ist die Genauigkeit des geschätzten
Schwingungseingangs. Wenn jedoch die Grenzfrequenz höher als ungefähr
doppelt so groß wie die Federunterseiten-Resonanzfrequenz ist
(ungefähr 10 Hz), wird die Schätzung wahrscheinlich durch Rauschen
beeinflußt, während die Wirkung der Verbesserung der Schwingungs
charakteristik gesättigt ist. Daher wird die Schätzgenauigkeit des
Schwingungseingangs auf einem hohen Niveau gehalten, wenn die
Grenzfrequenz angenähert doppelt so groß wie die Federunterseiten-
Resonanzfrequenz gesetzt ist.
Eine hohe Genauigkeit des geschätzten Wertes bezüglich des Schwin
gungseingangs in einem weiten Frequenzbereich kann auch in einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhalten werden,
in der die Integrationseinrichtung für die Berechnung der Vertikal
geschwindigkeit der Karosserie durch Integration des von der Karosserie
vertikalbeschleunigungs-Erfassungseinrichtung erfaßten Vertikal
beschleunigungswertes über die Zeit ein Tiefpaßfilter umfaßt, das eine
Grenzfrequenz besitzt, die auf einen Wert gesetzt ist, der im wesentlichen
gleich einem Sechstel der Federoberseiten-Resonanzfrequenz ist.
Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters hat in einem Frequenzbereich
unterhalb der Federoberseiten-Resonanzfrequenz Einfluß auf die Ab
senkung der Schwingungsübertragungsrate des von der Fahrbahn an die
Federoberseite übertragenen Schwingungseingangs. Je niedriger die
Grenzfrequenz ist, desto höher ist die Schätzgenauigkeit des Schwin
gungseingangs,obwohl der Verstärkungsfaktor der Schwingungsüber
tragungsrate des Eingangs von der Fahrbahn zur Federoberseite bei
spielsweise in einem Frequenzbereich von 0,2 Hz bis 0,7 Hz abnimmt.
Da ein Aufhängungssystem für ein Fahrzeug der Fahrbahn in einem
Bereich von Frequenzen folgen soll, die gleich oder kleiner als die
Federoberseiten-Resonanzfrequenz sind, ist es nicht wünschenswert, die
Grenzfrequenz übermäßig abzusenken. Wenn dagegen die Grenzfre
quenz in die Nähe der Federoberseiten-Resonanzfrequenz gebracht
wird, tritt ein Resonanzphänomen auf, während ein Schätzfehler be
züglich des Schwingungseingangs ansteigt. Daher kann ein ausreichen
des Vermögen zum Folgen der Fahrbahn unter Beibehaltung der
Schätzgenauigkeit des Schwingungseingangs auf einem hohen Niveau
dadurch erhalten werden, daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters auf
einen Wert gesetzt wird, der angenähert einem Sechstel der Federober
seiten-Resonanzfrequenz ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs
formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des gesamten Aufhängungssteuersys
tems, das eine Einrichtung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält;
Fig. 2 ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen
dem Befehlsstrom und dem Steuerdruck des Drucksteu
erventils erläutert;
Fig. 3 ein Kennliniendiagramm, das die Ausgangscharakteristik
des Hubsensors zeigt;
Fig. 4 ein Kennliniendiagramm, das die Ausgangscharakteristik
des Vertikalbeschleunigungssensors zeigt;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Steuereinrich
tung;
Fig. 6 ein Flußdiagramm von beispielhaften Verarbeitungsab
läufen in der Mikroprozessoreinheit;
Fig. 7A, B Diagramme, die die Verstärkungsfaktor-Frequenz-Cha
rakteristik bzw. die Phasen-Frequenz-Charakteristik zei
gen, um die Schätzgenauigkeit des Schwingungseingangs
von der Fahrbahn zu erläutern, wenn die Grenzfrequenz
des Hochpaßfilters geändert wird;
Fig. 8 ein Kennliniendiagramm, das die Schwingungsübertra
gungsrate des Schwingungseingangs von der Fahrbahn
an eine Federoberseite zeigt, wenn die Grenzfrequenz
des Hochpaßfilters geändert wird;
Fig. 9A, B Diagramme, die die Verstärkungsfaktor-Frequenz-Cha
rakteristik bzw. die Phasen-Frequenz-Charakteristik zei
gen, um die Schätzgenauigkeit des Schwingungseingangs
von der Fahrbahn zu erläutern, wenn die Grenzfrequenz
des Tiefpaßfilters geändert;
Fig. 10 ein Kennliniendiagramm, das die Schwingungsübertra
gungsrate des Schwingungseingangs von der Fahrbahn
an die Federoberseite zeigt, wenn die Grenzfrequenz des
Tiefpaßfilters geändert wird;
Fig. 11 ein Kennliniendiagramm, das die Schwingung der Fe
deroberseite gegenüber dem Schwingungseingang von
einer Fahrbahn zeigt, wenn die Grenzfrequenz des
Hochpaßfilters auf 20 Hz gesetzt ist und die Grenzfre
quenz des Tiefpaßfilters auf 0,2 Hz gesetzt ist;
Fig. 12A, B Diagramme, die die Verstärkungsfaktor-Frequenz-Cha
rakteristik bzw. die Phasen-Frequenz-Charakteristik zei
gen, um die Schätzgenauigkeit des Schwingungseingangs
von einer Fahrbahn zu erläutern; und
Fig. 13 eine erläuternde Darstellung eines Modells, das ein Rad
und einen Freiheitsgrad enthält.
Fig. 1 ist ein Diagramm des gesamten Aufhängungssteuersystems, das
eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, die auf ein
Radaufhängungssystem vom aktiven Typ für Kraftfahrzeuge angewen
det ist, um anhand einer Information bezüglich einer vorausliegenden
Fahrbahn eine prädikative Steuerung auszuführen. Das Fahrzeug, auf
das die vorliegende Erfindung angewendet wird, kann karosserieseitige
Elemente 10, ein linkes Vorderrad 11FL, ein rechtes Vorderrad
11FR, ein linkes Hinterrad 11RL und ein rechtes Hinterrad 11RR so
wie das aktive Aufhängungssystem 12 umfassen.
Wie insbesondere in Fig. 1 gezeigt, kann das aktive Aufhängungssy
stem 12 Hydraulikzylinder 18FL bis 18RR, Drucksteuerventile 20FL
bis 20RR, die in Fig. 1 mit "PC-Ventil" bezeichnet sind, eine Hydrau
likleistungsquelle, Akkumulatoren 24F und 24R, einen Fahrzeugge
schwindigkeitssensor 26, Hubsensoren 27FL und 27FR, Vertikalbe
schleunigungssensoren 28FL bis 28RR und eine Steuereinrichtung 30
enthalten, die im folgenden im einzelnen erläutert werden.
Die Hydraulikzylinder 18FL bis 18RR dienen als Betätigungselemente,
die jeweils zwischen einem karosserieseitigen Element 10 und einem
radseitigen Element 14 der Räder 11FL bis 11RR angeordnet sind. Die
Drucksteuerventile 20FL bis 20RR dienen dazu, den Arbeitsdruck der
Hydraulikzylinder 18FL bis 18RR einzeln einzustellen. Die Hydraulik
leistungsquelle 22 versorgt die Drucksteuerventile 20FL bis 20RR über
eine Versorgungsrohrleitung 21S mit Arbeitsöl, das mit einem be
stimmten Druckpegel beaufschlagt ist, wobei das Öl von den Druck
steuerventilen 20FL bis 20RR über eine Rücklaufleitung 21R zurückge
führt wird. Die Akkumulatoren 24F und 24R dienen dazu, die Drücke
aufrechtzuerhalten, die in der Versorgungsleitung 215 zwischen der
Hydraulikleistungsquelle 22 und den Drucksteuerventilen 20FL bis
20RR eingestellt worden sind. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 26
dient dazu, die Fahrzeuggeschwindigkeit zu erfassen und ein der erfaß
ten Geschwindigkeit entsprechendes Impulssignal auszugeben. Die
Hubsensoren 27FL und 27FR dienen dazu, die Relativbewegung zwi
schen den Vorderrädern 11FL bzw. 11FR und der Karosserie zu erfas
sen und sind parallel zu den vorderradseitigen Hydraulikzylindern
18FL und 18FR geschaltet. Die Vertikalbeschleunigungssensoren 28FL
bis 28RR sind in Fig. 5 mit "VA-Sensor" bezeichnet und dienen dazu,
die Vertikalbeschleunigung der Karosserie an Stellen, die jeweils einem
der Räder 11FL bis 11FR entsprechen, einzeln zu erfassen. Schließlich
dient die Steuereinrichtung 30 dazu, die Drucksteuerventile 20FL bis
20RR auf der Grundlage der von den Vertikalbeschleunigungssensoren
28FL bis 28RR erfaßten Vertikalbeschleunigungswerte ZGFL bis ZGRR
aktiv zu steuern und dabei aufgrund der Bewegung der Vorderräder auf
der Grundlage der von den Sensoren 26, 27FL, 27FR und 28FL bis
28FR erfaßten Werte eine prädiktive Steuerung der Ausgangsdrücke
der Drucksteuerventile 20RL und 20RR auszuführen.
Jeder der Hydraulikzylinder 18FL bis 18RR besitzt ein Zylinderrohr
18a, in dem eine Druckkammer L gebildet ist. Im Zylinderrohr 18a ist
ein Kolben 18c angeordnet, der in axialer Richtung eine Durchgangs
bohrung besitzt. Der Kolben unterteilt den Innenraum des Zylinder
rohrs 18a, so daß entsprechend der Differenz zwischen der oberen
Druckaufnahmefläche und der unteren Druckaufnahmefläche des Kol
bens 18c ein Schub erzeugt wird. Das untere Ende des Zylinderrohrs
18a ist an einem radseitigen Element 14 angebracht, während das obere
Ende der Kolbenstange 18b an einem karosserieseitigen Element 10
angebracht ist. Jede Druckkammer L ist über eine Hydraulikleitung 38
mit einem Auslaßkanal des entsprechenden Drucksteuerventils 20FL
bis 20RR verbunden. Jede Druckkammer L der Hydraulikzylinder
18FL bis 18RR ist über eine Drosselklappe 32 mit einem Akkumulator
34 verbunden, um die Schwingungen einer Federunterseite zu absorbie
ren. Zwischen die Federoberseite und die Federunterseite eines jeden
der Hydraulikzylinder 18FL bis 18RR ist eine Schraubenfeder 36 mit
einer verhältnismäßig kleinen Federkonstante eingesetzt, die die stati
sche Last der Karosserie trägt.
Jedes der Drucksteuerventile 20FL bis 20RR umfaßt ein bekanntes,
proportionales, elektromagnetisches Dreiwege-Druckreduzierventil, das
beispielsweise aus der JP 64-74111-A bekannt ist, auf deren Inhalt in
der vorliegenden Anmeldung Bezug genommen wird. Wie im Stand der
Technik bekannt ist, besitzt ein solches Druckreduzierventil ein zylin
drisches Ventilgehäuse, das ein Schiebeventil enthält, das im Gehäuse
frei verschiebbar ist, wobei ein Proportional-Solenoid daran angebracht
ist. Durch Einstellen der Größe eines Befehlsstroms i (Befehlswert),
der an eine Erregerspule des Proportional-Solenoids geschickt werden
soll, kann jedes der Drucksteuerventile 20FL bis 20RR die Bewegung
eines Ventiltellers im Ventilgehäuse und somit die Position des Schie
bers steuern, wodurch die Strömung des Arbeitsöls zwischen der Hy
draulikleistungsquelle 22 und den Hydraulikzylindern 18FL bis 18RR
über den Beschickungskanal und den Auslaßkanal oder über den Aus
laßkanal und einen Rücklaufkanal gesteuert wird.
Die Beziehung zwischen dem Befehlsstrom i (d. h. jeweils einem der
Ströme iFL bis iRR), der in die Erregerspule eingegeben wird, und dem
vom Auslaßkanal des Drucksteuerventils 20FL (bis 20RR) gelieferten
Steuerdruck P ist in Fig. 2 gezeigt. Wie in Fig. 2 gezeigt, liegt der mi
nimale Steuerdruck PMIN im Hinblick auf ein Rauschen bei minimalem
Strom iMIN vor und steigt proportional zum Strom i an, wenn der Strom
i aus diesem Zustand ansteigt. Ferner liegt der maximale Steuerdruck
PMAX, der dem spezifischen Leitungsdruck der Hydraulikleistungsquelle
22 entspricht, bei maximalem Strom iMAX vor. In Fig. 2 ist iN ein neu
traler oder mittlerer Befehlsstrom, während PCN ein mittlerer Steuer
druck ist.
Wie in Fig. 3 gezeigt, ist jeder der Hubsensoren 27FL und 27FR so be
schaffen, daß er einen Hubweg-Wert HFL bzw. HFR ausgibt, der einer
mittleren Spannung Vs mit dem Wert Null entspricht, wenn die Fahr
zeughöhe gleich einer vorgegebenen Sollhöhe ist, während er einer
positiven Spannung entspricht, die ihrerseits der Differenz zwischen
der tatsächlichen Fahrzeughöhe und der Sollhöhe entspricht, falls die
tatsächliche Höhe größer als die Sollhöhe ist, und einer negativen
Spannung entspricht, die ihrerseits der Differenz zwischen der tatsäch
lichen Höhe des Fahrzeugs und der Sollhöhe entspricht, wenn die tat
sächliche Höhe geringer als die Sollhöhe ist.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist jeder der Vertikalbeschleunigungssensoren
28FL bis 28RR so beschaffen, daß er einen Vertikalbeschleunigungs
wert ZGFL bis ZGFR ausgibt, der einer Null-Spannung entspricht, wenn
die Vertikalbeschleunigung Null ist, während er einer positiven Span
nung entspricht, die ihrerseits einer erfaßten Aufwärtsbeschleunigung
entspricht, und einer negativen Spannung entspricht, die ihrerseits einer
erfaßten Abwärtsbeschleunigung entspricht.
Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Steuereinrichtung 30 eine Schwin
gungseingangs-Schätzschaltung 41, Integrationsschaltungen 42FL bis
42RR, A/D-Umsetzer 43a bis 43f, eine Mikroprozessoreinheit 44 und
Treiberschaltungen 46FL bis 46RR enthalten, die im folgenden im ein
zelnen erläutert werden.
Die Schwingungseingangs-Schätzschaltung 41 dient dazu, auf der
Grundlage der von den Hubsensoren 27FL und 27FR ausgegebenen
Hubwege SFL und SFR und auf der Grundlage der von den vorderrad
seitigen Beschleunigungssensoren 28FL und 28FR der vier Vertikalbe
schleunigungssensoren 28FL bis 28RR ausgegebenen Karosserieverti
kalbeschleunigungen ZGFL und ZGFR Differentialwerte XOFL′ und XOFR′
der Fahrbahnverfolgungsbewegungen der Vorderräder, die der eine
veränderliche Form besitzenden Fahrbahn genau folgen, auszugeben.
Die Integrationsschaltungen 42FL bis 42RR dienen dazu, die Feder
oberseiten-Geschwindigkeiten ZGFL bis ZGRR zu berechnen, indem sie
die von den Vertikalbeschleunigungssensoren 28FL bis 28RR eingege
benen Vertikalbeschleunigungen ZGFL bis ZGRR über die Zeit integrie
ren. Die Integrationsschaltungen 42FL bis 42RR sind beispielsweise
aus Bandpaßfiltern aufgebaut. Die A/D-Umsetzer 43a bis 43f dienen
dazu, die von der Schwingungseingangs-Schätzschaltung 41 ausgegebe
nen Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewe
gungen und die von den Integrationsschaltungen 42FL bis 42RR ausge
gebenen Federoberseiten-Geschwindigkeiten ZVFL bis ZVRR in digitale
Werte umzuwandeln. Die Mikroprozessoreinheit 44 wird mit den die
Fahrzeuggeschwindigkeit V betreffenden Daten, die vom Fahrzeugge
schwindigkeitssensor 26 erfaßt werden, und mit den von den A/D-Um
setzern 43a bis 43f ausgegebenen digitalen Werten versorgt. Die Trei
berschaltungen 46FL bis 46RR werden mit Druckbefehlswerten PFL bis
PRR versorgt, die von der Mikroprozessoreinheit 44 über D/A-Umsetzer
45FL bis 45RR ausgegeben werden, und dienen dazu, die gelieferten
Werte in Treiberströme iFL bis iRR umzuwandeln, die an die Druck
steuerventile 20FL bis 20RR geliefert werden. Die Treiberschaltungen
46FL bis 46RR sind beispielsweise aus Konstantspannungsschaltungen
vom schwebenden Typ aufgebaut.
Wie in Fig. 5 gezeigt, enthält die Schwingungseingangs-Schätzschal
tung 41 Differentiationsschaltungen 41a und 41b zum Differenzieren
der Hubwege SFL und SFR von den Hubsensoren 27FL und 27FR, um
Hubgeschwindigkeiten SVFL und SVFR zu berechnen, Integrationsschal
tungen 41c und 41d zum Integrieren der Karosserievertikalbeschleuni
gungen ZGFL und ZGFR von den Vertikalbeschleunigungssensoren 28FL
und 28FR, um Differentialwerte XFL′ und XFR′ der Federoberseiten-Be
wegungen zu berechnen, und Addierer 41e und 41f zum Addieren der
von den Differentiationsschaltungen 41a und 41b ausgegebenen Hubge
schwindigkeiten SVFL bzw. SVFR einerseits zu den Differentialwerten
XFL′ bzw. XFR′ der Federoberseiten-Bewegungen, die von den Integra
tionsschaltungen 41c bzw. 41d ausgegeben werden, andererseits. Die
Addierer 41e und 41f geben Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der
Fahrbahnverfolgungsbewegungen der Vorderräder aus, die der eine
veränderliche Form besitzenden Fahrbahn genau folgen.
Die von den Hubsensoren 27FL und 27FR ausgegebenen Hubwege SFL
SFR, die jeweils eine relative Bewegung zwischen der Federunterseite
und der Federoberseite angeben, werden durch Subtraktion der Feder
oberseiten-Bewegungen XFL und XFR der Karosserie von den Federun
terseiten-Bewegungen XOFL und XOFR der Vorderräder 11FL und 11FR
erhalten, wie durch die folgenden Beziehungen (1) und (2) angegeben
ist:
SFL = XOFL - XFL (1)
SFR = XOFR - XFR (2)
Da die Hubgeschwindigkeiten SVFL und SVFR, die durch Differenzieren
der Hubwege SFL und SFR mittels der Differentiationsschaltungen 41a
und 41b erhalten werden, die Werte ergeben, die durch Subtrahieren
der Differentialwerte XFL′ und XFR′ der Federoberseiten-Bewegungen
von den Differentialwerten XOFL′ und XOFR′ der Federunterseiten-Bewe
gungen erhalten werden, können durch Addieren dieser Hubgeschwin
digkeiten SVFL und SVFR zu den durch Integration der Vertikalbe
schleunigungen ZGFL und ZGFR erhaltenen Differentialwerten XFL′ und
XFR′ der Federoberseiten-Bewegungen die Differentialwerte XOFL′ und
XOFR′ ausschließlich der Fahrbahnverfolgungsbewegungen, die der tat
sächlichen Fahrbahn folgen, erhalten werden, da hierbei die Differen
tialwerte XFL′ und XFR′ kompensiert sind.
Zusätzlich zu einer idealen Differentiationsschaltung kann jede der Dif
ferentiationsschaltungen 41a und 41b ein Hochpaßfilter mit einer
Grenzfrequenz fHC enthalten, wobei die Grenzfrequenz fHC nahezu auf
den doppelten Wert der Federunterseiten-Resonanzfrequenz, beispielsweise
20 Hz, gesetzt ist. Der Grund, weshalb die Grenzfrequenz fHC des
Hochpaßfilters auf 20 Hz gesetzt wird, ist der folgende. Es ist für eine
prädiktive Steuerung für ein Hinterrad mittels der Steuereinrichtung 30
eine Simulationsprüfung ausgeführt worden, wobei Integrationsschal
tungen 41c und 41d mit Tiefpaßfiltern verwendet wurden, deren Grenz
frequenz fLC 0,2 Hz betragen hat und deren Grenzfrequenz fHC auf 5
Hz, 10 Hz, 20 Hz, 40 Hz bzw. 60 Hz gesetzt worden ist. Das Ergebnis
dieser Simulationsprüfung ist in den Fig. 7A und 7B gezeigt, die Dia
gramme sind, die die Verstärkungsfaktor-Frequenz-Charakteristik bzw.
die Phasen-Frequenz-Charakteristik darstellen, um die Schätzgenauig
keit der Eingangsdaten von der Fahrbahn zu erläutern. Es ist ersicht
lich, daß bei zunehmender Grenzfrequenz die Schätzgenauigkeit der
Eingangsdaten von der Fahrbahn ansteigt, da sich sowohl der Verstär
kungsfaktor wie auch die Phase der durchgezogenen Linie der tatsäch
lichen Bewegung der Federunterseite annähern, wie in den Fig. 7A und
7B gezeigt ist. Andererseits geht aus Fig. 8, die die Schwingungsüber
tragungsrate des Schwingungseingangs von der Fahrbahn an die Feder
oberseite auf Seiten der Hinterräder darstellt, hervor, daß bei einer Er
höhung der Grenzfrequenz der Federoberseiten-Resonanzfrequenz
(ungefähr 1,2 Hz) bis zur Federunterseiten-Resonanzfrequenz
(ungefähr 10 Hz) abgesenkt werden kann, um das Schwingungsisola
tionsvermögen der Aufhängung zu verbessern. Wenn jedoch die Grenz
frequenz fHC 20 Hz übersteigt, erreicht die Wirkung der Verbesserung
der Schätzgenauigkeit der Eingangsdaten von der Fahrbahn und die
Wirkung der Verbesserung des Schwingungsisolationsvermögens einen
gesättigten Zustand, wobei die Schätzung der Eingangsdaten zu einer
Störung durch ein Rauschen neigt. Um daher die Eingangsdaten von
der Fahrbahn mit hoher Genauigkeit zu schätzen, ist es wünschenswert,
die Grenzfrequenz fHC auf 20 Hz zu setzen, die im wesentlichen der
doppelten Federunterseiten-Resonanzfrequenz ist. Die Grenzfrequenz
fHC des Hochpaßfilters wird festgelegt durch Setzen der Zeitkonstante
T₁ einer Übertragungsfunktion (T₁s/((T₁s+1)), derart, daß T₁ =
/(2 π·fHC).
Auf ähnliche Weise kann zusätzlich zu einer idealen Integrationsschal
tung beispielsweise jede der Integrationsschaltungen 41c und 41d ein
Tiefpaßfilter enthalten, dessen Grenzfrequenz fLC angenähert auf ein
Sechstel der Federoberseiten-Resonanzfrequenz, beispielsweise 0,2
Hz, gesetzt ist. Der Grund dafür, daß die Grenzfrequenz fLC des Tief
paßfilters auf 0,2 Hz gesetzt wird, ist der folgende. Für eine prädiktive
Steuerung des Hinterrads mittels der Steuereinrichtung 30 ist eine
Simulationsprüfung ausgeführt worden, wobei Differentiationsschaltungen
41a und 41b mit Hochpaßfiltern verwendet worden sind, deren
Grenzfrequenz fLC auf 0,05 Hz, 0,1 Hz, 0,2 Hz, 0,5 Hz bzw. 1,0 Hz
gesetzt worden ist. Das Ergebnis dieser Simulationsprüfung ist in den
Fig. 9A und 9B gezeigt, die die Verstärkungsfaktor-Frequenz-Charak
teristik bzw. die Phasen-Frequenz-Charakteristik darstellen, um die
Schätzgenauigkeit der Eingangsdaten von der Fahrbahn zu erläutern.
Es ist ersichtlich, daß bei abnehmender Grenzfrequenz fLC die Schätz
genauigkeit der Eingangsdaten von der Fahrbahn zunimmt, da sich in
einem Frequenzbereich unterhalb der Federoberseiten-Resonanzfrequenz
sowohl der Verstärkungsfaktor wie auch die Phase der in den
Fig. 9A bzw. 9B gezeigten durchgezogenen Linien der tatsächlichen
Bewegung der Federunterseite annähern. In einem Bereich niedriger
Frequenzen zwischen 0,2 Hz bis 0,7 Hz nimmt jedoch der Verstär
kungsfaktor bei absinkender Grenzfrequenz fLC ab, wie aus Fig. 10
ersichtlich ist, die die Schwingungsübertragungsrate des Eingangs von
der Fahrbahn zur Federoberseite der Hinterräder zeigt. Da das Auf
hängungssystem der eine veränderliche Form besitzenden Fahrbahn
folgen soll, ist es nicht wünschenswert, die Grenzfrequenz fLC über
mäßig abzusenken. Wenn andererseits die Grenzfrequenz fLC angehoben
wird, tritt ein Resonanzphänomen auf, das, wie in Fig. 10 gezeigt
ist, einen zunehmenden Schätzfehler zur Folge hat. Anhand der Er
gebnisse der oben beschriebenen Simulationsprüfungen ist es daher für
die Erzielung einer genauen Schätzung des Schwingungseingangs von
der Fahrbahn wünschenswert, die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters an
genähert auf ein Sechstel der Federoberseiten-Resonanzfrequenz, bei
spielsweise auf 0,2 Hz, zu setzen. Die Grenzfrequenz fLC des Tiefpaß
filters wird festgelegt durch Setzen der Zeitkonstante T₂ einer Übertra
gungsfunktion (1/T₂s+1)), derart, daß T₂ = 1/(2π·fLC).
In Fig. 11 wird eine durch eine Strichpunktlinie dargestellte prädiktive
Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Differentiations
schaltungen 41a und 41b, von denen jede ein Hochpaßfilter enthält, deren
Grenzfrequenz fHC 20 Hz ist, sowie die Integrationsschaltungen 41c
und 41d verwendet, von denen jede ein Tiefpaßfilter enthält, deren
Grenzfrequenz fLC 0,2 Hz ist, mit einer herkömmlichen prädiktiven
Steuerung, die in Fig. 11 durch eine durchgezogene Linie dargestellt
ist, verglichen. Es ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Steuerung
den Vorteil besitzt, daß sie den Verstärkungsfaktor der federoberseiti
gen Schwingungscharakteristik in einem weiten Frequenzbereich auf
einem niedrigen Pegel hält, so daß ein gutes Schwingungsisolations
vermögen geschaffen wird, und daß eine verbesserte Ansprechcharak
teristik verwirklicht wird, wie durch die durchgezogenen Linien in den
Fig. 12A und 12B gezeigt ist, die angenähert gleich der durch die
Strichpunktlinie dargestellten Ansprechcharakteristik eines Schwin
gungseingangs von einer Fahrbahn bei Verwendung einer idealen Dif
ferentiationsschaltung und einer idealen Integrationsschaltung ist. Da
her ist es mit der erfindungsgemäßen prädiktiven Steuerung möglich,
den Schwingungseingang von einer Fahrbahn mit hoher Genauigkeit zu
schätzen.
Die Mikroprozessoreinheit 44 umfaßt wenigstens eine Eingangsschnitt
stellenschaltung 44a, eine Ausgangsschnittstellenschaltung 44b, eine
Verarbeitungseinrichtung 44c und einen Speicher 44d. In die Eingangs
schnittstellenschaltung 44a werden ein Fahrzeuggeschwindigkeitswert
V und Ausgangsdaten von den A/D-Umsetzern 43a bis 43f eingegeben,
während von der Ausgangsschnittstellenschaltung 44d an die D/A-Um
setzer 45FL bis 45RR Druckbefehlswerte PFL bis PRR für die jeweiligen
Drucksteuerventile 20FL bis 20RR ausgegeben werden. Die Verarbei
tungseinrichtung 44c, deren Verarbeitungsprozedur im folgenden mit
Bezug auf Fig. 6 erläutert wird, liest den Fahrzeuggeschwindigkeits
wert V, die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungs
bewegungen und die Karosserie-Vertikalgeschwindigkeiten ZVFL bis
ZVRR in Intervallen einer vorgegebenen Abtastzeit Ts (z. B. 20 ms) ein,
speichert die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfol
gungsbewegungen zusammen mit einer Verzögerungszeit τR zwischen
den Vorderrädern und den Hinterrädern, die anhand des Fahrzeugge
schwindigkeitswertes V berechnet wird, in einem Speicherbereich, der
einem im Speicher 44b gebildeten spezifisch geordneten Schieberegister
entspricht, in dem sie der Reihe nach verschoben werden, speichert die
Verzögerungszeit τR, indem während der Verschiebung die Abtastzeit
Ts nacheinander subtrahiert wird, und berechnet auf der Grundlage der
Karosserievertikalgeschwindigkeitswerte ZVFL bis ZVRR, die von den
Integrationsschaltungen 42FL bis 42RR ausgegeben werden, eine Steuer
kraft für eine aktive Steuerung mit einer spezifischen Dämpfungs
funktion ("skyhook"-Dämpfungsfunktion). Die Verarbeitungseinrich
tung 44c berechnet ferner auf der Grundlage der Differentialwerte
XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewegungen in dem Zeitpunkt,
in dem die Verzögerungszeit τR Null ist, Steuerkräfte URL und URR für
eine prädiktive Steuerung, die in den Hydraulikzylindern 18RL und
18RR der Betätigungselemente der Hinterräder vorgenommen wird,
und gibt die sich ergebenden Kraftwerte, die durch Addition der Steuer
kräfte URL und URR mit den Steuerkräften für eine aktive Steuerung
erhalten werden, an die D/A-Umsetzer 45FL bis 45RR als Druckbe
fehlswerte für die jeweiligen Drucksteuerventile 20FL bis 20RR aus.
Im Speicher 44d wird im voraus ein Programm gespeichert, das für die
Verarbeitungseinrichtung 44c erforderlich ist, damit diese die Verarbei
tungsoperation ausführt; der Speicher 44d erzeugt einen Schieberegi
sterbereich zum Speichern einer spezifischen Anzahl von Differential
werten XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewegungen, die in
Intervallen einer spezifischen Abtastzeit Ts zusammen mit der Verzöge
rungszeit τR gelesen werden, indem sie der Reihe nach nacheinander
verschoben werden, und speichert die erforderlichen Operationsergeb
nisse der Verarbeitungseinrichtung 44c in dieser Reihenfolge.
Nun werden mit Bezug auf das Flußdiagramm von Fig. 6 die Funktion
und die Operation der Ausführungsform der Erfindung erläutert; das
Flußdiagramm von Fig. 6 zeigt eine Verarbeitungsprozedur, die in der
Verarbeitungseinrichtung 44c in der Mikroprozessoreinheit 44 ausge
führt wird.
Die in Fig. 6 gezeigte Verarbeitung wird als Unterbrechungsprozeß in
Intervallen einer vorgegebenen Abtastzeit Ts (z. B. 20 ms) ausgeführt.
Zunächst liest die Verarbeitungseinrichtung 44c in einem Schritt S1 den
Fahrzeuggeschwindigkeitswert V(n), der vom vorhandenen Fahrzeug
geschwindigkeitssensor 26 erfaßt wird, anschließend bestimmt sie in
einem Schritt S2, ob der Fahrzeuggeschwindigkeitswert V(n) gleich
oder größer als ein vorgegebener Geschwindigkeitswert Vs ist. Wenn
V(n) < Vs ist, endet der Zeitgeberunterbrechungsprozeß unverändert
und kehrt zu einem bestimmten Hauptprogramm zurück; wenn dagegen
V(n) Vs ist, geht die Verarbeitung weiter zu einem Schritt S3.
Im Schritt S3 liest die Verarbeitungseinrichtung 44c die Differential
werte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewegungen aus der
Schwingungseingangs-Schätzschaltung 41 und die Karosserie-Vertikal
geschwindigkeiten ZVFL und ZVFR von den Integrationsschaltungen
42FL und 42FR aus, anschließend verarbeitet sie in einem Schritt S4
auf der Grundlage des Fahrzeuggeschwindigkeitswertes V die folgende
Gleichung (3), um eine Verzögerungszeit τR zu berechnen, bis die
Hinterräder 11RL und 11RR den Ort der Fahrbahn erreichen, den die
Vorderräder 11FL und 11FR passiert haben.
wobei L der Radstand des Fahrzeugs und τs eine Verzögerungszeit des
Steuersystems ist, die erhalten wird, wenn eine Ansprechverzögerungs
zeit t₁, eine Rechenverlustzeit t₂ der Steuereinrichtung und eine Pha
senverzögerungszeit t₃ des Filters addiert werden.
Anschließend berechnet die Verarbeitungseinrichtung 44c in einem
Schritt S5 eine Inkrementgeschwindigkeit ΔV pro Einheitszeit Ts, die
dadurch erhalten wird, daß der letzte Fahrzeuggeschwindigkeitswert
V(n-1), der ein Abtastzeitintervall Ts vor dem momentanen Zeitpunkt
erfaßt worden ist, vom momentanen Fahrzeuggeschwindigkeitswert
V(n) subtrahiert wird, ferner berechnet sie einen Verzögerungszeit-
Kompensationswert Δτ, indem sie den Radstand L durch die Inkre
mentgeschwindigkeit ΔV dividiert.
Anschließend speichert die Verarbeitungseinrichtung 44c in einem
Schritt S6 die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfol
gungsbewegungen, die im Schritt S3 gelesen worden sind, und die Ver
zögerungszeit τR, die im Schritt S4 berechnet worden ist, an der ersten
Stelle des im Speicher 44d gebildeten Schieberegisterbereichs, wobei
andere Differentialwerte XOFL′ und XORF′ anderer Fahrbahnverfolgungs
bewegungen und andere Verzögerungszeiten τR, die vorher gespeichert
worden sind, der Reihe nach einzeln verschoben werden. Bei der Ver
schiebung der Verzögerungszeit τR wird ein Wert, der durch Subtrak
tion der Abtastzeit Ts und des im Schritt S5 berechneten Verzögerungs
zeit-Kompensationswertes Δτ von den jeweils an der zu verschiebenden
Stelle gespeicherten Verzögerungszeit τR erhalten wird, als neu aktua
lisierte Verzögerungszeit τR gespeichert.
Im Schritt S7 liest die Verarbeitungseinrichtung 44c die Differential
werte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewegungen, die im
Schieberegisterbereich an erster Stelle gespeichert worden sind, d. h.
die Verzögerungszeit τR, die den Wert Null besitzt, aus. Dann berech
net die Verarbeitungseinrichtung 44c unter Verwendung dieser Werte
die folgenden Gleichungen (4) und (5), berechnet die Kräfte UPRL und
UPRR der prädikativen Steuerung für die Drucksteuerventile 20RL und
20RR der Hinterräder und entfernt die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′
der ersten Fahrbahnverfolgungsbewegungen und die entsprechende
Verzögerungszeit τR aus dem Schieberegisterbereich.
wobei Cp ein Dämpfungskraft-Steuerfaktor, Kp ein Federkraft-Steuer
faktor und ω₁ ein konstanter Wert ist, der durch Multiplikation einer
Grenzfrequenz fc für die Steuerung mit 2π erhalten wird. Die Werte Cp
und Kp werden in bezug auf die Dämpfungskonstante C und die Feder
konstante K einer tatsächlichen Radaufhängung so gesetzt, daß Cp C
und Kp K gilt, während ω₁ so gesetzt wird, daß gilt: Θ₁ 0.
Der Grund, weshalb die Kräfte für die prädikative Steuerung anhand
der Gleichungen (4) und (5) berechnet werden, ist der folgende. In der
beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird eine aktive Steue
rung ähnlich wie in einer herkömmlichen aktiven Aufhängung nicht in
einem Bereich der Federunterseiten-Resonanzfrequenz ausgeführt, fer
ner muß die Schwingung hauptsächlich in einem Bereich der Feder
oberseiten-Resonanzfrequenz von 5 Hz oder weniger unterdrückt wer
den. Dann kann ein Bewegungsmodell mit einem Rad auf einer Fahr
bahn, das in Fig. 13 gezeigt ist und versehen ist mit einem Federele
ment K, einem Dämpfungselement C sowie einem Steuerelement U, die
sämtlich zueinander parallel geschaltet sind, und ferner mit einer Fe
deroberseiten-Masse M, die über diesen Elementen angeordnet ist, als
Modell mit einem Freiheitsgrad angesehen werden, in dem eine äußere
Kraft F auf die Federoberseiten-Masse M wirkt. In Fig. 13 bezeichnet
X₀ die Fahrbahnverfolgungsbewegung, während X die Federobersei
tenbewegung bezeichnet.
Die Bewegungsgleichung für dieses Modell mit einem Rad und einem
Freiheitsgrad lautet folgendermaßen:
MX₀′′ = C · (X₀′-X′) + K · (X₀-X) -F + U (6)
Die Auflösung von Gleichung (6) für die Federoberseitenbewegung X
ergibt die folgende Gleichung (7):
Da in Gleichung (4) XOFL′ = SXOFL ist, ergibt die Gleichung (7), wenn
die Gleichung (4) in die Gleichung (7) eingesetzt wird, unter der An
nahme, daß ω₁ = 0, Cp = C und Kp = K, die folgende Gleichung:
Da in der Gleichung (8) die Schätzung der Fahrbahnverfolgungsbewe
gung mittels der Schwingungseingangs-Schätzschaltung 41 eine ausrei
chend hohe Genauigkeit besitzt, d. h. (x₀-xOFL) = 0, ergibt Gleichung
(8) die folgende Gleichung:
Somit wird die Schwingung von der Fahrbahn nur wenig an die Karos
serie übertragen, so daß ein hoher Fahrkomfort erzielt wird.
Anschließend berechnet die Verarbeitungseinrichtung 44c in einem
Schritt S8 die Gesamtsteuerkräfte UFL bis URR gemäß den folgenden
Gleichungen (10) bis (13):
UFL = UN - KB · VFL (10)
UFR = UN - KB · VFR (11)
URL = UN - KB · VRL + UPRL (12)
URR = UN - KB · VRR + UPRR (13)
wobei UN die Steuerkraft ist, die notwendig ist, um die Fahrzeughöhe
als Sollhöhe aufrechtzuerhalten, und wobei KB ein Rückprall-Steuerfak
tor ist.
Dann geht die Verarbeitungseinrichtung 44c weiter zu einem Schritt
S9, in dem sie die Steuerkraft-Werte UFL bis URR, die im Schritt S8 be
rechnet worden sind, in D/A-Umsetzer 45FL bis 45RR als Druckbe
fehlswerte eingibt, woraufhin der Zeitgeberunterbrechungsprozeß be
endet ist und zu einem spezifischen Hauptprogramm zurückkehrt.
Nun wird angenommen, daß ein Fahrzeug mit konstanter Geschwindig
keit, die größer als eine vorgegebene Fahrzeuggeschwindigkeit Vs ist,
auf einer ebenen und guten Straße geradeaus fährt, wobei die Fahr
zeughöhe als Sollhöhe beibehalten wird. In diesem Zustand sind die
von den Hubsensoren 27FL und 27FR erfaßten Bewegungen SFL und
SFR an den Vorderrädern nahezu Null, da das Fahrzeug seine Sollhöhe
auf der Fahrbahn beibehält, ferner sind die Beschleunigungen ZGFL bis
ZGFR, die von den Vertikalbeschleunigungssensoren 28FL bis 28RR er
faßt werden, angenähert Null, da Schwingungen der karosserieseitigen
Elemente 10 nahezu nicht erzeugt werden. Somit sind die Differential
werte SVFL und SVFR der Hubbewegungen, die von den Differentiations
schaltungen 41a und 41b der Schwingungseingang-Schätzschaltung 41
ausgegeben werden, und die Differentialwerte XFL′ und XFR′ der Fede
roberseitenbewegungen, die von den Integrationsschaltungen 41c und
41d ausgegeben werden, angenähert Null. Daher sind auch die Diffe
rentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewegungen, die
von den Addierern 41e und 41f ausgegeben werden, ebenfalls angenä
hert Null. Die Vertikalbeschleunigungswerte ZGFL bis ZGRR sind ange
nähert Null, so daß die Federoberseitengeschwindigkeiten ZVFL bis
ZVRR, die von den Integrationsschaltungen 42FL bis 42RR ausgegeben
werden, ebenfalls Null sind.
Die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewe
gungen und die Federoberseitengeschwindigkeiten ZVFL bis ZVRR wer
den zusammen mit dem Fahrzeuggeschwindigkeitswert V in den Mi
kroprozessor 44 eingegeben.
Da in einem Zustand, in dem das Fahrzeug auf einer ebenen und guten
Straße fährt, die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfol
gungsbewegungen, die im Schritt S6 in dem in Fig. 6 gezeigten und
von der Mikroprozessoreinheit 44 in Intervallen einer spezifischen Ab
tastzeit Ts ausgeführten Prozeß der Reihe nach gespeichert werden, auf
einem Null-Pegel gehalten werden, werden auch die Differentialwerte
XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewegungen, die im Schritt S4
nach Verstreichen der Verzögerungszeit τR berechnet werden, ebenfalls
auf Null gehalten, so daß auch die Kräfte UPRL und UPRR für die prä
diktive Steuerung, die im Schritt S7 berechnet werden, Null sind. Die
Federoberseiten-Geschwindigkeiten ZVFL bis ZVRR sind ebenfalls Null,
die Gesamtsteuerkräfte UFL bis URR, die im Schritt S8 berechnet wer
den, nehmen Werte an, die lediglich der mittleren Drucksteuerkraft UN
entsprechen, mit der die Fahrzeughöhe auf der Sollhöhe gehalten wird;
diese Werte werden über die Ausgangsschnittstellenschaltung 44b und
über die D/A-Umsetzer 45FL bis 45RR an die Treiberschaltungen
46FL bis 46RR ausgegeben.
Die Treiberschaltungen 46FL bis 46RR wandeln diese Werte in Be
fehlsströme iFL bis iRR um, die den Druckbefehlswerten PFL bis PRR ent
sprechen, und schicken diese Ströme iFL bis iRR an die Drucksteuer
ventile 20FL bis 20RR. Im Ergebnis werden von den Drucksteuerventi
len 20FL bis 20RR in die Hydraulikzylinder 18FL und 18FR der Vor
derräder und in die Hydraulikzylinder 18RL und 18RR der Hinterräder
die mittleren Drücke PCNF bzw. PCNR eingegeben, die zum Halten der
Fahrzeughöhe auf der Sollhöhe erforderlich ist. Somit erzeugt jeder
dieser Hydraulikzylinder 18FL bis 18RR einen Schub, derart, daß ein
Hub zwischen dem karosserieseitigen Element 10 und dem radseitigen
Element 14 so bemessen wird, daß die Höhe des Fahrzeug auf der
Sollhöhe gehalten wird.
Wenn sich der Fahrzustand des Fahrzeugs vom Zustand einer Gerade
ausfahrt auf einer guten Straße in einen Zustand ändert, in dem das
Fahrzeug auf einer Fahrbahn mit sogenannten Straßenwellen mit unter
schiedlichen Höhen fährt, so daß das linke Vorderrad 11FL und das
rechte 11FR gleichzeitig plötzlich wie bei einer Stufe nach oben bewegt
werden, werden die Vorderräder 11FL und 11FR beim Befahren der
Straßenwellen nach oben gestoßen. Dieser Stoß erhöht die von den
Hubsensoren 27FL und 27FR erfaßten Hubwege SFL und SFR direkt von
Null auf beliebige positive Werte. Gleichzeitig wird in den karosserie
seitigen Elementen 10 eine Aufwärtsbeschleunigung erzeugt, wobei die
von den Vertikalbeschleunigungssensoren 28FL und 28FR erfaßten Be
schleunigungswerte ZGFL und ZGFR des linken und des rechten Vorder
rades in positiver Richtung ansteigen.
Die Hubwege SFL und SFR und die Vertikalbeschleunigungswerte ZGFL
und ZGFR werden in die Schwingungseingangs-Schätzschaltung 41 ein
gegeben, so daß diese an die Mikroprozessoreinheit 44 die Differenti
alwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewegungen in genau
er Übereinstimmung mit der Fahrbahn ausgibt, wobei diese Werte, wie
oben beschrieben worden ist, von der Vertikalbewegung des karosse
rieseitigen Elements 10 nicht beeinflußt werden.
Dann berechnet die Mikroprozessoreinheit 44 gemäß der Gleichung (3)
im Schritt S4 eine Verzögerungszeit τR, nach der die Hinterräder 11RL
und 11RR denjenigen Ort der Fahrbahn erreicht haben werden, den die
Vorderräder 11FL und 11FR momentan passieren, und speichert diese
Verzögerungszeit τR und die Differentialwerte XOFR′ und XOFR′ der
Fahrbahnverfolgungsbewegungen im Schieberegisterbereich an erster
Stelle. Hierbei verschiebt das Schieberegister nacheinander der Reihe
nach andere Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der anderen Fahrbahn
verfolgungsbewegungen, die bis zuletzt den Wert Null besaßen, und
speichert als neu aktualisierte Verzögerungszeit τR einen Wert, der
durch Subtraktion der Abtastzeit Ts und des im Schritt S5 aus den ein
zelnen Verzögerungszeiten τR berechneten Verzögerungszeit-Kompen
sationswert Δτ erhalten wird.
In diesem Zeitpunkt sind die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der je
weiligen Fahrbahnverfolgungsbewegungen bis zu dem zuletzt im
Schiebregisterbereich gespeicherten Zeitpunkt Null. Daher werden die
Kräfte UPRL und UPRR für die prädikative Steuerung der Hinterräder,
die im Schritt S7 berechnet werden, auf Null gehalten, während die
Steuerkräfte URL und URR für die Hinterräder auf Werten einer mittle
ren Steuerkraft UN gehalten werden. Die von den Vertikalbeschleuni
gungssensoren 28FL und 28FR an den Vorderrädern 11FL und 11FR
erfaßten Beschleunigungswerte ZGFL und ZGFR haben sich jedoch in
positiver Richtung erhöht, so daß die Gesamtsteuerkräfte UFL und UFR
der Vorderräder, die im Schritt S8 berechnet werden, gemäß der Hub
geschwindigkeit der Karosserie, die durch das Fahren über die Straßen
schwelle verursacht wird, kleiner als die mittlere Kraft UN gemessen
werden. Dies hat eine Absenkung der Befehlsströme iFL und iFR, die
von den Treiberschaltungen 46FL und 46FR ausgegeben werden, eine
Absenkung des Steuerdrucks Pc, der von den Drucksteuerventilen 20FL
und 20FR ausgegeben wird, derart, daß er niedriger als der mittlere
Druck PCNF ist, eine Absenkung des Schubs eines jeden der Hydraulik
zylinder 18FL und 18FR und eine Verkürzung der Hübe der Vorderrä
der zur Folge. Daher kann die Schwingung des karosserieseitigen Ele
ments 10, die durch das Fahren der Vorderräder 11FL und 11FR über
eine Straßenschwelle verursacht würde, unterdrückt werden, indem ei
ne spezifische ("skyhook"-)Dämpfungsfunktion geschaffen wird.
Wenn danach die Vorderräder 11FL und 11FR die Straßenschwelle auf
der Fahrbahn passiert haben, kehren die jeweiligen Steuerkräfte für die
Vorderräder 11FL und 11FR zu den Steuerkräften UFL und UFR zu
rück, um die Fahrzeughöhe auf der Sollhöhe zu halten. Was die Hinter
räder 11RL und 11RR betrifft, so werden in dem Zeitpunkt, in dem die
im Schritt S4 berechnete Verzögerungszeit τR den Wert Null annimmt,
d. h. in dem die Hinterräder 11RL und 11RR die Straßenschwelle pas
sieren, die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungs
bewegungen im Schritt S7 ausgelesen. Die Kräfte UPRL und UPRR für
die prädikative Steuerung der Hinterräder werden gemäß den Glei
chungen (4) und (5) auf der Grundlage dieser Differentialwerte berech
net, so daß die durch eine unebene Fahrbahnfläche verursachte
Schwingung nur in geringem Maß an die Karosserie übertragen wird,
wie aus Gleichung (9) hervorgeht. Im Ergebnis kann eine komfortable
Fahrweise erzielt werden. Wenn die Hinterräder 11RL und 11RR über
eine Straßenwelle fahren und somit eine Aufwärtsbeschleunigung des
karosserieseitigen Elements 10 an den Hinterrädern erzeugt wird, wer
den diese Beschleunigungswerte von den Vertikalbeschleunigungssen
soren 28RL und 28RR erfaßt und mittels der Integrationsschaltungen
42RL und 42RR über die Zeit integriert, so daß Federoberseitenge
schwindigkeiten ZVRL und ZVRR erhalten werden. Wenn diese Feder
oberseiten-Geschwindigkeitswerte ZVRL und ZVRR in die Mikroprozes
soreinheit 44 eingegeben werden, wird im Schritt S8 eine spezifische
Dämpfungsfunktion ("skyhook"-Dämpfungsfunktion) ausgeführt, um
die aktive Steuerungskraft für die Unterdrückung der Anhebung des ka
rossersieseitigen Elements 10 und die Drucksteuerventile 20RL und
20RR zu steuern. Im Ergebnis werden die an die Hydraulikzylinder
18RL und 18RR angelegten Hydraulikdrücke so gesteuert, daß die
Schwingung der Karosserie im wesentlichen unterdrückt wird.
Wenn die Steuerkräfte UPRL und UPRR gemäß den Gleichungen (4) und
(5) berechnet werden, in denen ω₁ = Null ist, nimmt ein stationärer
Faktor (s = Null) der Steuerkräfte UPRL und UPRR für die Fahrbahnver
folgungsbewegungen (Radbewegungen) XOFL und XOFR den Wert K an.
Folglich besteht bei einer vorübergehenden Einsenkung oder einer vor
übergehenden Erhebung kein Problem. Bei der Fahrt auf einer Fahr
bahn mit den obenerwähnten Straßenschwellen, bei der die Fahrbahn
verfolgungsbewegungen XOFL (= XOFL) und XOFR (= XOFR) ihren geän
derten Wert selbst dann beibehalten, wenn das Fahrzeug wieder auf ei
ner ebenen Fahrbahn fährt, nehmen die Steuerkräfte UPRL und UPRR
nicht den Wert Null an, so daß die Hubwege, die so bemessen sind,
daß die Steuerkräfte UPRL und UPRR mit den Federkräften der Aufhän
gungsfedern, die eine Federkonstante K besitzen, ausgeglichen werden,
unverändert bleiben; deshalb wird ein Zustand aufrechterhalten, indem
die Fahrzeughöhe nicht zu ihrer ursprünglichen Höhe zurückkehrt.
Wenn nämlich der Anfangswert der Fahrzeughöhe durch h gegeben ist,
wird ein Zustand aufrechterhalten, in dem (X₀-x₀)-h = U/K ≠ 0 ist.
Damit die Fahrzeughöhe zu ihrer ursprünglichen Höhe zurückkehren
kann, wenn das Fahrzeug wieder auf einer ebenen Straße fährt, nach
dem es auf einer Fahrbahn mit Straßenwellen gefahren ist, muß in den
Gleichungen (4) und (5) ω₁ < 0 spezifiziert werden, so daß der statio
näre Faktor der Steuerkräfte UPRL und UPRR für den Vertikalgeschwin
digkeit-Schätzwert x₀ den Wert Null annimmt.
Wenn eines der Vorderräder 11FL und 11FR (beispielsweise nur das
linke Vorderrad 11FL) über eine vorübergehende Erhebung gefahren
ist, wird die prädikative Steuerung nur für den Hydraulikzylinder 18RL
auf Seiten der linken Räder ausgeführt, während in bezug auf den Hy
draulikzylinder 18RR der rechten Räder, die nicht über eine Erhebung
gefahren sind, eine Steuerung zur Aufrechterhaltung eines mittleren
Drucks ausgeführt wird.
Wenn das Vorderrad 11FL oder 11FR in eine vorübergehende Einsen
kung gefahren ist, kann eine Schwingung der Karosserie unterdrückt
werden, indem eine Steuerung ausgeführt wird, die zu der obenbe
schriebenen Steuerung entgegengesetzt ist. Selbst wenn das Fahrzeug
auf einer Fahrbahn fährt, die nicht nur eine vorübergehende, sondern
eine ständige Unebenheit aufweist, kann eine prädikative Steuerung für
das Hinterrad aufgrund der Bewegung des Vorderrades ausgeführt
werden.
Die gezeigte Ausführungsform ermöglicht es, daß die Hubsensoren
27FL und 27FR und die Vertikalbeschleunigungssensoren 28FL und
28FR, die in der Nähe der Vorderräder 11FL und 11FR angeordnet
sind, zur Erfassung der Information bezüglich der vorausliegenden
Fahrbahn verwendet werden können. Diese Sensoren können her
kömmliche Sensoren sein, die in einem nun in Gebrauch befindlichen
aktiven Aufhängungssystem angebracht sind, so daß die vorliegende
Ausführungsform den Vorteil besitzt, daß die Entwicklung eines neuen
Sensors oder die Anbringung zusätzlicher Sensoren nicht erforderlich
ist.
Aus der obigen Beschreibung ist deutlich geworden, daß mit der vor
liegenden Erfindung eine verbesserte Einrichtung zum Schätzen der auf
eine Fahrzeug-Radaufhängung einwirkenden Schwingungen geschaffen
wird, weil mit dieser Einrichtung der Schwingungseingang von der
Fahrbahn mit hoher Genauigkeit geschätzt werden kann, ohne einen
Sensor wie etwa einen kontaktlosen Abstandssensor, einen Radbe
schleunigungssensor oder dergleichen zu verwenden, die hinsichtlich
der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer nachteilig sind, und ohne daß
die Schätzung durch Schwingungen der Karosserie beeinflußt wird.
Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den weiteren Vorteil, daß sie die
Genauigkeit der Schätzung des Schwingungseingangs von der Fahrbahn
in einem weiten Bereich von hohen Frequenzen zu niedrigen Frequen
zen in hohem Maß aufrechterhalten kann, ohne durch Rauschen oder
durch das Auftreten von Resonanzphänomenen und dergleichen beein
flußt zu werden.
Die Erfindung ist nunmehr anhand einer besonderen Ausführungsform,
die in den Zeichnungen dargestellt ist, beispielhaft beschrieben worden;
selbstverständlich sind verschiedene Abwandlungen möglich, ohne daß
der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
Beispielsweise ist in der erläuterten Ausführungsform die Schwin
gungseingang-Schätzschaltung 41 vorgesehen, die für die Berechnung
der Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewe
gungen analoge Schaltungen enthält; dies ist jedoch keine Einschrän
kung hinsichtlich des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Somit kön
nen die Differentialwerte XOFL und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbe
wegungen durch die Ausführung einer Hochpaßfilter-Verarbeitung
bzw. einer Tiefpaßfilterverarbeitung der Hubwege SFL und SFR und der
Karosserie-Vertikalbeschleunigungen ZGFL und ZGFR mittels der Mikro
prozessoreinheit 44 ausgeführt werden.
Die erläuterte Ausführungsform enthält die Mikroprozessoreinheit 44,
die die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbe
wegungen zusammen mit der Verzögerungszeit τR in einem Schiebere
gisterbereich speichert, indem diese Werte nacheinander der Reihe
nach verschoben werden, und die die Kräfte UPRL und UPRR für die
prädikative Steuerung auf der Grundlage der Differentialwerte XOFL′
und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbewegungen in dem Zeitpunkt be
rechnet, in dem die Verzögerungszeit den Wert Null erreicht hat, ob
wohl dies keine Einschränkung hinsichtlich des Umfangs der vorlie
genden Erfindung darstellt. Somit ist es auch möglich, die Kräfte UPRL
und UPRR für die prädikative Steuerung durch vorheriges Ausführen ei
ner Verarbeitung zu berechnen, die dem Schritt S7 entspricht und die
auf die Differentialwerte XOFL′ und XOFR′ der Fahrbahnverfolgungsbe
wegungen zugreift und diese Steuerkräfte UPRL und UPRR zusammen mit
der Verzögerungszeit τR im Schieberegisterbereich speichert, indem sie
diese Werte nacheinander der Reihe nach verschiebt, und die Ge
samtsteuerkräfte URL und URR berechnet, indem sie die im voraus be
rechneten Steuerkräfte UPRL und UPRR in dem Zeitpunkt, in dem die
Verzögerungszeit τR den Wert Null erreicht hat, verwendet.
Ferner wird mit der erläuterten Ausführungsform eine aktive Steuerung
eines Aufhängungssystems nur auf der Grundlage der Vertikalbe
schleunigung ausgeführt, obwohl dies keine Einschränkung des Um
fangs der vorliegenden Erfindung darstellt. Daher ist möglich, die
Steuersignale für die Unterdrückung einer Rollbewegung, einer Nei
gungsbewegung und einer Stoßbewegung auf der Grundlage der von
Querbeschleunigungssensoren, Längsbeschleunigungssensoren und
dergleichen erfaßten Beschleunigungen zu berechnen, um so eine Ge
samtsteuerung auszuführen, indem diese Steuersignale zu den Druckbe
fehlswerten zu PFL bis PRR addiert oder von diesen subtrahiert werden.
In der erläuterten Ausführungsform werden die Drucksteuerventile
20FL und 20RR als Steuerventile verwendet, obwohl innerhalb des
Umfangs der vorliegenden Erfindung auch andere Servoventile vom
Strömungssteuerungstyp oder dergleichen verwendet werden können.
In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird eine Steuer
einrichtung 30 verwendet, die die Mikroprozessoreinheit 44 enthält; es
kann jedoch auch eine Steuereinrichtung verwendet werden, die aus ei
ner Kombination von elektrischen Schaltungen wie etwa Schieberegi
stern, Rechenschaltungen und dergleichen aufgebaut ist.
Die erläuterte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet
als Arbeitsfluid Arbeitsöl, obwohl innerhalb des Umfangs der Erfin
dung jedes Arbeitsfluid verwendet werden kann, vorausgesetzt, daß das
Fluid einen geringen Kompressionsgrad besitzt.
Darüber hinaus ist die erläuterte Ausführungsform für den Fall be
schrieben worden, in dem als Betätigungselement ein aktives Aufhän
gungssystem verwendet wird. Es kann jedoch jedes beliebige Betäti
gungselement verwendet werden, vorausgesetzt, daß es aus einer Auf
hängung wie etwa einem Stoßdämpfer mit variabler Dämpfungskraft
und dergleichen, dessen Dämpfungs- und Federcharakteristiken verän
derlich sind, aufgebaut ist.
Claims (3)
1. Einrichtung zum Schätzen der von einer Fahrbahn an eine ge
federte Radaufhängung eines Fahrzeugs übertragenen Schwingun
gen, wobei das Fahrzeug mehrere Räder (11FL, 11FR, 11RL, 11RR)
aufweist, die an der Fahrzeugkarosserie (10) über die Radauf
hängung abgestützt sind, umfassend:
eine Einrichtung (27FL, 27FR) für die Erfassung des Hubs (SFL, SFR) der Radaufhängung;
eine Einrichtung (28FL, 28FR) für die Erfassung der Vertikalbe schleunigung (ZGFL-ZGRR) der Karosserie (10);
eine Einrichtung (41a, 41b) zum Differenzieren des Hubweges, um eine Hubgeschwindigkeit (SVFL, SVFR) zu berechnen;
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (41c, 41d) zum Integrieren der Vertikalbe schleunigung der Karosserie, um eine Vertikalgeschwindigkeit (XFL′, XFR′) der Karosserie (10) zu berechnen; und
eine Einrichtung (41e, 41f) zum Addieren der Hubgeschwindigkeit (SVFL, SVFR) und der Vertikalgeschwindigkeit (XFL′, XFR′) der Ka rosserie um einen Wert (XOFL′, XOFR′) zu erhalten, der unabhängig ist von der Bewegung der Karosserie und einen Schätzwert für die an die Radaufhängung übertragenen Schwingungen darstellt.
eine Einrichtung (27FL, 27FR) für die Erfassung des Hubs (SFL, SFR) der Radaufhängung;
eine Einrichtung (28FL, 28FR) für die Erfassung der Vertikalbe schleunigung (ZGFL-ZGRR) der Karosserie (10);
eine Einrichtung (41a, 41b) zum Differenzieren des Hubweges, um eine Hubgeschwindigkeit (SVFL, SVFR) zu berechnen;
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (41c, 41d) zum Integrieren der Vertikalbe schleunigung der Karosserie, um eine Vertikalgeschwindigkeit (XFL′, XFR′) der Karosserie (10) zu berechnen; und
eine Einrichtung (41e, 41f) zum Addieren der Hubgeschwindigkeit (SVFL, SVFR) und der Vertikalgeschwindigkeit (XFL′, XFR′) der Ka rosserie um einen Wert (XOFL′, XOFR′) zu erhalten, der unabhängig ist von der Bewegung der Karosserie und einen Schätzwert für die an die Radaufhängung übertragenen Schwingungen darstellt.
2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Differentiationseinrichtung (41a, 41b) ein Hochpaßfilter
enthält, dessen Grenzfrequenz auf einen Wert gesetzt ist, der
im wesentlichen doppelt so groß wie die Resonanzfrequenz der
Federunterseite der Radaufhängung ist.
3. Einrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Integrationseinrichtung (41c, 41d) ein Tiefpaßfilter
enthält, dessen Grenzfrequenz auf einen Wert gesetzt ist, der
im wesentlichen ein Sechstel der Resonanzfrequenz der Feder
oberseite der Radaufhängung ist.
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D2 | Grant after examination | ||
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