DE4414022A1 - Aktives Federungssystem - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein aktives Federungssystem, ins
besondere für Kraftfahrzeuge, dessen zwischen gefederter und
ungefederter Masse angeordnete Feder- bzw. Abstützaggregate
jeweils ein passives ungesteuertes Federelement sowie ein dazu
in Reihe angeordnetes hydraulisches Verdrängeraggregat mit
regelbarer Verstellung aufweisen.
Ein entsprechendes rechnergesteuertes Federungssystem ist
Gegenstand der DE 40 26 790 C1. Dort werden die Verdränger
aggregate mittels eines Speichers versorgt, dessen Kapazität
für eine Kurzzeitaktivierung bemessen ist. Damit lassen sich
kritische Situationen ausregeln. Im übrigen arbeitet das
Federungssystem wie ein herkömmliches passives Federsystem.
Aufgrund dieser Betriebsweise genügt zum Nachladen des
Speichers eine Ladevorrichtung mit geringer Leistung.
Aus der US-A 3 606 233 ist es bekannt, bei einem Federungs
system der eingangs angegebenen Art den Druck im Verdränger
aggregat in Abhängigkeit von vorzugebenden Parametern zu
regeln, um eine möglichst weitgehende schwingungsmäßige
Abkopplung zwischen gefederter und ungefederter Masse zu
erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein aktives Federungs
system mit einfach ausführbarer Regelung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
bei einem System der eingangs angegebenen Art den Feder
bzw. Abstützaggregaten jeweils Weggeber zugeordnet sind,
welche sowohl die jeweilige Hubstellung (x) der ungefederten
Masse relativ zur gefederten Masse als auch den Hub (y) des
jeweiligen Verdrängeraggregates - vorzugsweise direkt - er
fassen, daß Istwerte der jeweils zwischen gefederter Masse und
ungefederter Masse wirksamen Abstützkräfte bzw. dazu analoger
Größen aus dem mittels der Weggebersignale erfaßbaren Feder
zustand des passiven ungesteuerten Federelementes ermittelt
werden, und daß die Regelung der Verstellung der Verdränger
aggregate in Abhängigkeit von vorzugebenden Sollwerten der
Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen erfolgt.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei
einem aktiven Federungssystem auf die unmittelbare Er
fassung von Abstützkräften bzw. in Fluidaggregaten wirk
samen Drücken vollständig zu verzichten und die zwischen
gefederter und ungefederter Masse wirksamen Abstützkräfte
ausschließlich durch Wegmessung bzw. die Erfassung von
Hubstellungen zu ermitteln.
Hierbei wird erfindungsgemäß genutzt, daß bei einem Federungs
system der eingangs angegebenen Art die jeweils an einem
Feder- bzw. Abstützaggregat wirksamen Abstützkräfte einer
seits durch die konstruktiv vorgegebene Federcharakteristik
des passiven ungesteuerten Federelementes und andererseits
durch die Differenz (x-y) zwischen der Hubstellung (x) der
ungefederten Masse relativ zur gefederten Masse und dem
Hub (y) des jeweiligen Verdrängeraggregates vorgegeben wird,
weil diese Differenz den Federzustand, d. h. das Maß der
Federspannung, des passiven ungesteuerten Federelementes
umkehrbar eindeutig wiedergibt.
Die Erfindung bietet den Vorzug einer besonders einfachen
Regelungstechnik, da Wegmessungen bzw. die Messungen von
Größen, die zum Weg analog sind, besonders einfach durch
führbar sind. Auch der übrige konstruktive Aufwand ist
relativ gering. Im wesentlichen werden lediglich eine
hinreichend leistungsfähige Druckquelle sowie Steuerventile
für den Zu- bzw. Abfluß von Hydraulikmedium zum bzw. vom
Verdrängeraggregat benötigt. Hierbei ist vorteilhaft, daß
relativ wenig Leistung benötigt wird, um das Verdrängeraggre
gat in einer gewünschten Stellung zu halten; hierzu genügt
im wesentlichen die Sperrung von Ventilen.
Des weiteren ist vorteilhaft, daß Reibung in den Verdränger
aggregaten keine Einbußen hinsichtlich des Abrollkomforts
bewirkt, weil das passive ungesteuerte Federelement ständig
wirksam bleibt. Im übrigen kann die Reibung bei der Lage
regelung der Verdrängeraggregate kompensiert werden.
Falls im Rechner des Federungssystems Fehler auftreten
sollten, kann ohne weiteres ein Notbetrieb durchgeführt
werden, indem die Verdrängeraggregate automatisch oder
durch manuelle Steuerung in eine vorgegebene Lage gebracht
und in dieser Lage stillgesetzt bzw. durch Sperrung der
Ventile hydraulisch blockiert werden. Damit arbeitet das
Federsystem wie ein herkömmliches rein passives System.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der
Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende
Erläuterung einer in der Zeichnung dargestellten vorteil
haften Ausführungsform verwiesen.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematisierte schalt
planartige Darstellung eines zwischen einem Rad und einem
Fahrzeugaufbau angeordneten Feder- und Abstützaggregates
gemäß der Erfindung.
Zwischen einem Aufbau 1 eines Kraftfahrzeuges, welcher die
gefederte Masse bildet, und einem Rad 2, welches eine
ungefederte Masse bildet, ist in grundsätzlich bekannter
Weise ein passives ungesteuertes Federelement 3, beispiels
weise in Form einer Stahl-Schraubendruckfeder, angeordnet.
Das aufbauseitige Widerlager des Federelementes 3 ist als
Plunger 4 eines am Aufbau 1 angeordneten hydraulischen
Verdrängeraggregates 5 ausgebildet, welches über ein Regel
ventil 6 mit einer hydraulischen Druckquelle 7 bzw. mit
einem im wesentlichen drucklosen Reservoir 8 stufenlos
verbindbar bzw. gegenüber Druckquelle 7 und Reservoir 8
abschließbar ist.
Zur Steuerung des Regelventiles 6 dient eine Steuer- bzw.
Regelelektronik 9, welche eingangsseitig mit Sensoren 10
und 11 für die Hubstellung x des Rades 2 relativ zum Auf
bau 1 sowie den Hub y des Plungers 4 relativ zum Aufbau 1
verbunden ist.
Im übrigen kann die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 eingangs
seitig mit weiteren Sensoren 12 verbunden sein, die zur
Überwachung weiterer Parameter dienen - beispielsweise der
Aufbaubeschleunigung, der Radbeschleunigung, des Lenkrad
winkels, der Giergeschwindigkeit, der Fahrgeschwindigkeit
usw. des Fahrzeuges - und eine Beeinflussung der Feder-
und Dämpferrate des Aufbaus, des Eigenlenkverhaltens des
Fahrzeuges und/oder eine Einstellung der Aufbaulage
(Aufbauhorizontierung) ermöglichen.
Darüber hinaus können eingangsseitig der Steuer- bzw.
Regelelektronik 9 willkürlich betätigbare Schalter 13 ange
ordnet sein, mit denen sich verschiedene Steuer- bzw. Regel
abstimmungen einschalten lassen.
Parallel zum Federelement 3 ist ein konventioneller oder
- zweckmäßigerweise - einschaltbarer Stoßdämpfer 14 ange
ordnet, wobei der Stoßdämpfer 14 zwischen dem Aufbau 1
und dem Rad 2 bzw. dem radseitigen Widerlager des Feder
elementes 3 arbeitet.
Der Stoßdämpfer 14 ist zweckmäßigerweise so abgestimmt,
daß er bei der sogenannten Radresonanz besonders dämpfungs
wirksam ist, d. h. wenn die Räder 2 zu "trampeln" suchen.
Die dargestellte Anordnung arbeitet im wesentlichen wie
folgt:
Aus den die Hubstellungen x der Räder 2 relativ zum Aufbau 1 wiedergebenden Signalen der Sensoren 10 ermittelt die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 - gegebenenfalls unter Berück sichtigung der Signale der weiteren Sensoren 12 - einen Sollwert der Abstützkraft, welche zwischen dem Aufbau 1 und dem jeweiligen Rad 2 wirksam sein soll. Statt dessen kann auch eine zur Abstützkraft analoge Größe vorgegeben werden. Für den Sollwert Asoll der Abstützkraft gilt:
Aus den die Hubstellungen x der Räder 2 relativ zum Aufbau 1 wiedergebenden Signalen der Sensoren 10 ermittelt die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 - gegebenenfalls unter Berück sichtigung der Signale der weiteren Sensoren 12 - einen Sollwert der Abstützkraft, welche zwischen dem Aufbau 1 und dem jeweiligen Rad 2 wirksam sein soll. Statt dessen kann auch eine zur Abstützkraft analoge Größe vorgegeben werden. Für den Sollwert Asoll der Abstützkraft gilt:
Asoll = k (x-y)soll,
wobei k der Elastizitätskoeffizient des Federelementes 3
ist. Die einfache Möglichkeit der Berechnung von Asoll
beruht darauf, daß der Wert der Abstützkraft im wesentlichen
durch die Federspannung des Federelementes 3 bestimmt wird;
diese Federspannung ändert sich analog zur Differenz x-y.
In entsprechender Weise kann der Istwert Aist der jeweils
zwischen Aufbau 1 und Rad 2 wirksamen Abstützkraft aus den
Signalen der Sensoren 10 und 11 ermittelt werden:
Aist = k (x-y)ist.
Die bei der Erfindung mögliche Regelung der Abstützkräfte
durch Soll-Istwert-Vergleich kann also durch Soll-Istwert-
Vergleich der Wegstrecken (x-y)soll und (x-y)ist erfolgen.
Um die gewünschte Regelung ausführen zu können, muß
lediglich gewährleistet sein, daß sich der Plunger 4 des
Verdrängeraggregates 5 im Vergleich zu den möglichen
Relativgeschwindigkeiten zwischen Aufbau 1 und Rädern 2
vergleichsweise schnell verstellen läßt. Dazu muß die
Druckquelle 7 eine entsprechende Leistung haben, außerdem
muß das Regelventil 6 entsprechend große Querschnitte steuern
können.
Sollte die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 ausfallen oder
fehlerhaft arbeiten, ist ohne weiteres ein Notbetrieb
möglich, bei dem der Plunger 4 hydraulisch in einer
vorzugebenden Lage im Verdrängeraggregat 5 blockiert und
der Stoßdämpfer 14, soweit er schaltbar ist, auf harte
Dämpfung geschaltet wird.
Die Einschaltung des Notbetriebes kann automatisch beim
Auftreten eines Fehlers in der Steuer- bzw. Regelelektronik
erfolgen. Statt dessen ist es auch möglich, daß der Fahrer
zur Einschaltung des Notbetriebes entsprechende Steuer
organe betätigt.
Die die Hubstellungen x der Räder 2 wiedergebenden Signale
der Sensoren 10 werden vorzugsweise für die Berechnung des
Ist-Wertes der Abstützkraft des Federelementes 3 gefiltert,
um in diesem Zusammenhang schnelle Radbewegungen unberück
sichtigt zu lassen. Denn in erster Linie sollen durch Ver
stellung des Plungers 4 Bewegungen des Aufbaus 1 beeinflußt
werden, welche vergleichsweise langsam sind.
Gleichwohl sollen die Signale der Sensoren 10 auch schnelle
Radbewegungen wiedergeben können, damit die Steuer- bzw.
Regelelektronik 9 bei Radbewegungen in der Nähe der Rad
resonanzfrequenz die Möglichkeit besitzt, den Stoßdämpfer 14
zur Dämpfung dieser Radresonanz einzuschalten.
Durch die Regelung der Abstützkräfte werden bei der Erfindung
im wesentlichen nur die relativ langsamen Bewegungen des
Fahrzeugaufbaus beeinflußt. Die vergleichsweise schnellen
Radbewegungen, insbesondere im Bereich der Radresonanz,
werden praktisch allein durch den Dämpfer 14 (dämpfend)
beeinflußt. Da die Aufbaubewegungen typischerweise eine
Frequenz von 1 bis 2 Hz haben, während die Frequenz der
Radresonanz etwa bei 15 bis 20 Hz liegt, kann also die zur
Beeinflussung der Aufbaubewegungen dienende Regelung der
Abstützkräfte relativ langsam arbeiten.
Zwischen der Pumpe 7 und dem Regelventil 6 ist zweckmäßiger
weise noch ein nicht dargestellter Druckspeicher angeordnet.
Claims (5)
1. Aktives Federungssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
dessen zwischen gefederter und ungefederter Masse ange
ordnete Feder- bzw. Abstützaggregate jeweils ein passives
ungesteuertes Federelement sowie ein dazu in Reihe ange
ordnetes hydraulisches Verdrängeraggregat mit regelbarer
Verstellung aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
daß den Feder- bzw. Abstützaggregaten (3, 5) jeweils Weggeber (10, 11) zugeordnet sind, welche sowohl die jeweilige Hubstellung (x) der ungefederten Masse (2) relativ zur gefederten Masse (1) als auch den Hub (y) des jeweiligen Verdrängeraggregates (5) - vorzugsweise direkt - erfassen,
daß Istwerte (Aist) der jeweils zwischen gefederter Masse (1) und ungefederter Masse (2) wirksamen Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen aus dem mittels der Weggebersignale erfaß baren Federzustand des passiven ungesteuerten Federelemen tes (3) ermittelt werden und
daß die Regelung der Verstellung des Verdrängeraggregates (5) in Abhängigkeit von vorzugebenden Sollwerten (Asoll) der Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen erfolgt.
daß den Feder- bzw. Abstützaggregaten (3, 5) jeweils Weggeber (10, 11) zugeordnet sind, welche sowohl die jeweilige Hubstellung (x) der ungefederten Masse (2) relativ zur gefederten Masse (1) als auch den Hub (y) des jeweiligen Verdrängeraggregates (5) - vorzugsweise direkt - erfassen,
daß Istwerte (Aist) der jeweils zwischen gefederter Masse (1) und ungefederter Masse (2) wirksamen Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen aus dem mittels der Weggebersignale erfaß baren Federzustand des passiven ungesteuerten Federelemen tes (3) ermittelt werden und
daß die Regelung der Verstellung des Verdrängeraggregates (5) in Abhängigkeit von vorzugebenden Sollwerten (Asoll) der Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen erfolgt.
2. Federungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stellgeschwindigkeit des Verdrängeraggregates (5)
größer als die möglichen Geschwindigkeiten der gefederten
Masse (1) relativ zu einem stationären System ist.
3. Federungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zum Federelement (3) mindestens ein schaltbarer
Stoßdämpfer (14) angeordnet ist, welcher zur Dämpfung von
Resonanzerscheinungen - insbesondere Radresonanz - abge
stimmt ist.
4. Federungssystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stoßdämpfer (14) zwischen gefederter Masse (1)
bzw. Fahrzeugaufbau und ungefederter Masse (2) bzw. Rad
oder radseitigem Widerlager des Federelementes (3) an
geordnet ist.
5. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vorzugebenden Sollwerte (Asoll) durch
Sensoren (12, 13), die vorgebbare Parameter überwachen,
veränderbar sind.
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