DE69606732T2

DE69606732T2 - Verfahren zum Begrenzen einer Bewegung unter Verwendung eines einstellbaren Dämpfers

Info

Publication number: DE69606732T2
Application number: DE69606732T
Authority: DE
Inventors: Frederick P. Boyle; Nicholas K. Petek; Dale P. Smith
Original assignee: Lubrizol Corp
Current assignee: Camp Inc Cleveland Ohio Us
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: JPH08300993A; US5582385A; AU693012B2; EP0739766A3; EP0739766A2; DE69606732D1; EP0739766B1; AU5078696A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der relativen Bewegung und Kraft zwischen zwei miteinander verbundenen Elementen, um die Anzahl der Fälle zu minimieren, in denen die Bewegung zulässige Grenzwerte überschreitet, während die Isolierung zwischen den Elementen maximiert wird. Noch genauer betrifft diese ein Verfahren, um übermäßige Bewegung zu reduzieren, während eine gute Isolierung in einem Stoßdämpfer oder in einem an einem Dämpfer aufgehängten System erreicht wird.
Schwingungsabsorber-Lagerungen, wie etwa primäre Fahrzeugaufhängungen, Motorlager, LKW-Führerhausaufhängungen und Lkw- und Bussitzaufhängungen, isolieren eine "gefederte Masse" von dem Gegenstand, auf welchem die Masse montiert ist (die "ungefederte" Masse). Für die beste Isolierung sollte die von einer Lagerung zugelassene relative Bewegung groß sein im Vergleich zu der Amplitude der Eingangsschwingungen der ungefederten Masse. In den meisten Anwendungen jedoch muss die relative Bewegung zwischen der gefederten und der ungefederten Masse auf bedeutend weniger als die maximal mögliche Eingangsschwingungsamplitude begrenzt sein. In primären Fahrzeugaufhängungen wird die maximal zulässige Bewegung durch Konstruktionszwänge, wie etwa dem Fahrzeugdesign, bestimmt. Bei Motorlagern und LKW-Führerhausaufhängungen wird die maximal zulässige Bewegung durch die Ausrichtung des Motors oder des Führerhauses mit anderen Elementen des Fahrzeugs bestimmt. Bei LKW- und Bussitzaufhängungen wird die maximal zulässige Bewegung durch die ergonomischen Bedürfnisse des Fahrers oder des Fahrgasts bestimmt, nämlich bequem die Elemente der ungefederten Masse erreichen zu können, während er von dieser Masse isoliert ist.
Es gibt drei allgemeine Lagerungsarten: passiv, halb-aktiv und aktiv. Passive Lagerungen (eingebaute Gummilager, Federn mit Reibungsdämpfern oder, am gebräuchlichsten, Federn mit viskosen Dämpfern) sind in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt, da sie Kompromisse eingehen müssten, um eine gute Steuerung bei der Resonanzfrequenz und eine gute Isolierung bei hohen Frequenzen zu erreichen. Aktive Systeme verwenden Sensoren und Steuerungshardware und -software, um zu bestimmen, welche Kräfte nötig sind, um die Schwingungen von der ungefederten Masse "aufzuheben". Diese Systeme erfordern eine Energiequelle, um die Kraft bereitzustellen, die zur optimalen Steuerung und Isolierung benötigt wird. Die Kosten und die Leistungsbeschränkungen hindern aktive Systeme daran, in weiten Kreisen akzeptiert zu werden. Auch die halb-aktiven Systeme verwenden Sensoren und Steuerungshardware und -software, um zu bestimmen, welche Handlungen benötigt werden, um die erwünschte Steuerung und Isolierung der gefederten Masse zu erreichen. Im Unterschied zu den aktiven Systemen verwenden halb-aktive Aufhängungen jedoch keine Energiequelle, um die Steuerkraft bereitzustellen. Diese verwenden einen gesteuerten Dämpfer, der Energie aus dem Aufhängungssystem wegnehmen kann, dem System aber keine Energie zuführen kann. Es werden Steuerungsalgorithmen entwickelt, die eine stufenlos veränderbare halb-aktive Aufhängung zulassen, um auf einem Isolierungsniveau, das vergleichbar ist mit dem voll-aktiven System, bei beträchtlich reduzierten Anschaffungs- und Betriebskosten und in einem kleineren und leichteren Einbausatz zu arbeiten.
Es wurden verschiedene halb-aktive Steuerungsalgorithmen vorgeschlagen, die einen steuerbaren Dämpfer verwenden, um eine gute Isolierung zwischen gefederten und ungefederten Massen zu erreichen. Ein solcher Steuerungsalgorithmus verwendet den Dämpfer, um der Kraft der Feder entgegenzuwirken, um die Eingangskraft an die gefederte Masse zu begrenzen. Ein weiterer derartiger Steuerungsalgorithmus verwendet den Dämpfer, damit er arbeitet, als ob das Dämpfen nicht zwischen der gefederten Masse und der ungefederten Masse, sondern stattdessen zwischen der gefederten Masse und einem Referenzträgheitsachsenkreuz, dem "Himmel", stattfindet. Das von Karnopp et al., "Vibration Control Using Semi-active Force Generator", ASME Aufsatz Nr. 73-DET-123, Mai 1974, beschriebene "Himmelhaken"-Modell ist eines der am besten bekannten Modelle für einen Steuerungsalgorithmus. Diese Literaturstelle beschreibt einen Dämpfer, der eine Kraft ausübt, die dazu beiträgt, die absolute Geschwindigkeit der Masse zu reduzieren, während die gewöhnlichen Dämpfer eine Kraft ausüben, die dazu beiträgt, die relative Geschwindigkeit zu reduzieren.
Guy et al., "A Solenoid-Actuated Pilot Valve in a Semi-Active Damping System", SAE Aufsatz Nr. 881139, August 1988, lehrt, dass ein Mangel der meisten effektiven halb-aktiven Isolierungs-Steuerungsalgorithmen, insbesondere des "Himmelhakens", darin besteht, dass große Geschwindigkeits- und Verschiebungseinträge in die Aufhängung den gesamten zur Verfügung stehenden Federweg verbrauchen können, was zu einem "Oben-Anschlagen (Topping)" oder "Unten-Anschlagen (Bottoming)" der Aufhängung führt.
Dieser Mangel muss überwunden werden durch Verwenden a) wechselnder Algorithmen, die weniger effektiv beim Isolieren der gefederten Masse sind, oder b) Steuerungsstrategien, die den besten Schwingungs-Isolierungsalgorithmus verwenden, wenn die Wahrscheinlichkeit des Oben-Anschlagens oder Unten-Anschlagens gering ist, und die einen gesonderten Algorithmus verwenden, der wirkt, um zu verhindern, dass die aufgehängte Masse die Wegbegrenzungen überschreitet, wenn die Wahrscheinlichkeit für das Oben-Anschlagen und Unten-Anschlagen hoch ist.
Die US-PS 4,468,050, Woods et al., 28. August 1984, beschreibt ein Computeroptimiertes einstellbares Aufhängungssystem. Diese Literaturstelle beschreibt die Probleme des "Oben- Herausschlagens (Topping Out)" und des "Unten-Herausschlagens (Bottoming Out)", d. h.; die Bedingung, bei welcher ein Stoß oder eine andere Einwirkung auf das Fahrgestell oder das Rad bewirkt, dass die Achse versucht, sich stärker an das Fahrgestell anzunähern als sie physisch dazu in der Lage ist. Dies kann bewirken, dass die Fahrgäste einen schweren Stoß erleiden und dass möglicherweise der Stoßdämpfer oder die Aufhängung beschädigt wird. Um dies zu vermeiden, erhöht der Steuerungsprozess unabhängig die Druckstufendämpfung, wenn die Achse sich dem Unten-Ausschlagen nähert, und erhöht die Zugstufendämpfung, wenn die Achse sich dem Oben-Herausschlagen nähert.
Die US-PS 5,276,622, Miller et al., 4. Januar 1994, beschreibt ein System zum Reduzieren der Endanschlagszusammenstöße der Aufhängung, das ein Überlagerungssteuerungsverfahren bereitstellt, das die Dämpfereingangssignale ändert, wenn es nötig ist, um die Dämpfungscharakteristika der Dämpferanordnung zu Zeiten zu erhöhen, wenn das Isolierungssystem wahrscheinlich die Endanschläge treffen oder überschreiten wird, um das Auftreten der Endanschlagszusammenstöße zu minimieren.
Die DE-A-40 07 177 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Computergestützte, Fahrbahn-abhängige Steuerung eines Kraftfahrzeugs-Aufhängungsdämpfers mit einem einstellbaren Dämpferventil. Es werden Sensoren auf dem Fahrzeug und/oder den Dämpfern bereitgestellt und ein Prozessor erzeugt Einstellsignale für das Dämpferventil gemäß den Sensorsignalen.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen bereit, die durch eine Verbindung beweglich miteinander verbunden sind, die eine Federanordnung einschließt, welche die Elemente in einer Gleichgewichtsposition halten soll, wobei wenigstens das erste der beiden Elemente extern erzeugten Bewegungseinträgen ausgesetzt ist und eine erste Kraft als Antwort darauf an das zweite Element übertragen soll; wobei die Elemente mit einer Einrichtung zum Anlegen einer zweiten gesteuerten Kraft dazwischen ausgestattet sind; wobei das Verfahren umfasst:
(a) Messen der Verschiebung xrel des zweiten Elements relativ zum ersten Element, wobei xrel in der Gleichgewichtsposition als Null definiert ist;
(b) Bestimmen der relativen Geschwindigkeit vrel zwischen dem ersten und zweiten Element
(c) Berechnen einer Kraft Fangelegt, definiert durch:
Fangelegt = Fcalc - Fsys,
wobei Fcalc eine Kraft ist, die anhand der bekannten Position und der Bewegung der Elemente berechnet ist und ausreichend ist, um zu verhindern, daß die Relativbewegung der Elemente festgelegte Grenzen überschreitet, und
Fsys eine Nicht-Null-Summe der Kräfte ist, die zwischen dem ersten und zweiten Element wirken, die von der gesteuerten Kraft verschieden sind, die durch die zweite Krafteinrichtung angelegt wird,
mit der Maßgabe, daß
Fangelegt = 0, wenn die Kraft Fangelegt in die gleiche Richtung wie die relative Geschwindigkeit vrel der Elemente wirkt, oder wenn vrel ≤ vdb, wobei vdb eine Geschwindigkeitstotzone (deadband) mit einem voreingestellten Wert größer oder gleich Null ist, und
Fangelegt = Fmax, wenn die Kraft Fangelegt in die Richtung entgegengesetzt zur relativen Geschwindigkeit vrel, der Elemente wirkt, und größer als die maximale Kraft Fmax ist, die durch die zweite Krafteinrichtung in die Richtung von Fangelegt angelegt werden kann; und
(d) Anlegen der Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element;
wobei die Kraft, die vom ersten Element auf das zweite Element übertragen wird und die relative Verschiebung zwischen den Elementen gesteuert wird.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen bereit, die durch eine Verbindung beweglich miteinander verbunden sind, die eine Federanordnung einschließt, welche die Elemente in einer Gleichgewichtsposition halten soll, wobei wenigstens das erste der beiden Elemente extern erzeugten Bewegungseinträgen ausgesetzt ist und eine erste Kraft als Antwort darauf an das zweite Element übertragen soll; wobei die Elemente zwischen äußersten Grenzwerten der zulässigen Verschiebung dazwischen von x+limit in positiv definierter Richtung und x-limit, in einer negativ definierten Richtung liegen; wobei die Elemente mit einer Einrichtung zum Anlegen einer zweiten gesteuerten Kraft dazwischen ausgestattet sind; wobei das Verfahren umfasst:
(a) Messen der Verschiebung xrel, des zweiten Elements relativ zum ersten Element, wobei xrel in der Gleichgewichtsposition als Null definiert ist;
(b) Berechnen (i) der relativen Geschwindigkeit vrel und (ii) der relativen Beschleunigung arel der Elemente;
(c) Berechnen einer angelegten Kraft Fangelegt, definiert durch:
wenn vrel > 0
und v²rel > -2areld, (Bedingung 1)
wenn vrel < 0
und v²rel > -2areld, (Bedingung 2)
Fangelegt = 0 wenn vrel ≤ vdb
oder die Bedingungen 1 und 2 nicht erfüllt sind;
wobei:
vdb eine Geschwindigkeitstotzone mit einem voreingestellten Wert größer oder gleich Null ist, m die wirksame Masse des zweiten Elements ist,
d der Abstand von der relativen Verschiebung zu dem zulässigen äußersten Verschiebungsgrenzwert x+limit oder x-limit in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel ist,
Fsys die Summe der Kräfte ist, die zwischen dem ersten und zweiten Element wirken, die von der gesteuerten Kraft verschieden sind, die durch die zweite Krafteinrichtung angelegt wird, und
(d) Anlegen der Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element; mit der Maßgabe, dass dann,
(i) wenn die Richtung der Kraft Fangelegt der Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel entspricht, Fangelegt = 0 gilt,
(ii) wenn die Kraft Fangelegt in die Richtung entgegengesetzt zur relativen Geschwindigkeit vrel wirkt und größer als die maximale Kraft Fmax ist, die durch die zweite Krafteinrichtung in die Richtung von Fangelegt angelegt werden kann, Fmax angelegt wird;
wobei die übertragene Kraft und die relative Verschiebung zwischen den Elementen gesteuert werden.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen, wie vorstehend beschrieben, bevrelt, das umfasst:
(a) Messen der Verschiebung xrel des zweiten Elements relativ zum ersten Element, wobei xrel in der Gleichgewichtsposition als Null definiert ist;
(b) Berechnen der relativen Geschwindigkeit vrel der zwei Elemente;
(c) Berechnen einer angelegten Kraft Fangelegt, definiert durch:
Fangelegt = 0 wenn vrel ≤ vdb, (Bedingung 1)
wenn Bedingung 1 nicht erfüllt ist;
und
(d) Anlegen der Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element; wobei die Ausdrücke wie vorstehend und mit den vorstehend genannten Vorbehalten definiert sind.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen, wie vorstehend beschrieben, bereit, das umfasst:
(a) Messen der Verschiebung xrel des zweiten Elements relativ zum ersten Element, wobei xrel in der Gleichgewichtsposition als Null definiert ist;
(b) Berechnen der relativen Geschwindigkeit vrel der zwei Elemente;
(c) Berechnen einer angelegten Kraft Fangelegt, definiert durch:
Fangelegt = 0 wenn vrel ≤ vdb; (Bedingung 1)
wenn vrelFsys < 0,
und Bedingung 1 nicht erfüllt ist; (Bedingung 2)
Fangelegt = -2 vrel km - Fsys wenn die Bedingungen 1 und 2 nicht erfüllt sind,
wobei:
vdb eine Geschwindigkeitstotzone mit einem voreingestellten Wert größer oder gleich Null ist, m die wirksame Masse des zweiten Elements ist,
d der Abstand von der relativen Verschiebung zu dem zulässigen äußersten Verschiebungsgrenzwert x+limit oder x-limit in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel ist,
k die Federkonstante der Federanordnung bei der relativen Verschiebung xrel ist,
Fsys die Summe der Kräfte ist, die zwischen dem ersten und zweiten Element wirken, die von der gesteuerten Kraft verschieden sind, die durch die zweite Krafteinrichtung angelegt wird, eine Zahl größer oder gleich 0 und kleiner oder gleich 1 ist; und
(d) Anlegen der Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element; mit der Maßgabe, dass dann,
(i) wenn die Richtung der Kraft Fangelegt der Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel entspricht, Fangelegt = 0 gilt,
(ii) wenn die Kraft Fangelegt, in die Richtung entgegengesetzt zur relativen Geschwindigkeit vrel wirkt und größer als die maximale Kraft Fmax ist, die durch die zweite Krafteinrichtung in die Richtung von Fangelegt angelegt werden kann, Fmax angelegt wird;
wobei die Kraft, die vom ersten Element auf das zweite Element übertragen wird, und die relative Verschiebung zwischen den Elementen gesteuert werden.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen, wie vorstehend beschrieben, bereit, das umfasst:
(a) Messen (i) der Verschiebung xrel des zweiten Elements relativ zu dem ersten Element, wobei xrel in der Gleichgewichtsposition als Null definiert ist, and (ii) der absoluten Beschleunigung des zweiten Elements;
(b) Berechnen (i) der relativen Geschwindigkeit vrel der Elemente und (ii) der absoluten Geschwindigkeit Vabs des zweiten Elements;
(c) Berechnen einer Kraft Fangelegt, definiert durch:
Fangelegt = 0 wenn vrel ≤ vdb; (Bedingung 1)
wenn v²rel > -4d vabs k/m
oder [vrel > 0 und vabs < -Fsys/2 km]
oder [vrel < 0 und vabs > -Fsys/2 km],
und Bedingung 1 nicht erfüllt ist; (Bedingung 2)
Fangelegt = -2 vabs km - Fsys wenn die Bedingungen 1 und 2 nicht erfüllt sind;
und
(d) Anlegen der Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element; wobei eine Zahl größer als 0,5 und kleiner als 3 ist, k die Federkonstante der Federanordnung bei der relativen Verschiebung xrel ist, und die übrigen Ausdrücke wie vorstehend und mit den vorstehend genannten Vorbehalten definiert sind.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen, wie vorstehend beschrieben, bereit, das umfasst:
(a) Messen (i) der Verschiebung xrel des zweiten Elements relativ zum ersten Element, wobei xrel in der Gleichgewichtsposition als Null definiert ist, und (ii) der absoluten Beschleunigung des zweiten Elements;
(b) Berechnen (i) der relativen Geschwindigkeit vrel der Elemente, (ii) der relativen Beschleunigung arel der Elemente und (iii) der absoluten Geschwindigkeit vabs des zweiten Elements;
(c) Berechnen einer Kraft Fangelegt definiert durch:
Fangelegt = 0 wenn vrel ≤ vdb; (Bedingung 1)
wenn vrel > 0
und v²rel > -2areld
und [vabs < -Fsys/2 km oder
und Bedingung 1 nicht erfüllt ist; (Bedingung 2)
wenn vrel < 0
und v²rel > -2areld
und [vabs > -Fsys/2 km oder
und die Bedingungen 1 und 2 nicht erfüllt sind;
(Bedingung 3)
Fangelegt = -2 vabs km - Fsys wenn die Bedingungen 1, 2 und 3 nicht erfüllt sind;
und
(d) Anlegen der Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element; wobei die Ausdrücke wie vorstehend und mit den vorstehend genannten Vorbehalten definiert sind.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen bereit, die durch eine Verbindung beweglich miteinander verbunden sind, die eine Federanordnung einschließt, welche die Elemente in einer Gleichgewichtsposition halten soll, wobei wenigstens das erste der beiden Elemente extern erzeugten Bewegungseinträgen ausgesetzt ist und eine erste Kraft als Antwort darauf an das zweite Element übertragen soll; wobei die Elemente äußerste Grenzwerte der zulässigen Verschiebung zwischen x+limit in einer positiv definierten Richtung und x-limit in einer negativ definierten Richtung haben; wobei die Vorrichtung umfasst:
(A) einen einstellbaren Dämpfer, der zum Anlegen einer variablen Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element in der Lage ist; und
(B) einen Regler, der angepasst ist, ein Steuersignal zu dem Dämpfer als Antwort auf die Bedingung der zwei beweglich miteinander verbundenen Elemente zu senden, wobei das Steuersignal dem Wert von Fangelegt entspricht;
wobei das Steuersignal durch eines der vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt wird.
Verschiedene bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in nicht beschränkender Weise und mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Darstellung einer Vorrichtung einschließlich eines Dämpfungsmechanismus für eine aufgehängte Masse ist;
Fig. 2 eine Ausführungsform einer halb-aktiven Dämpferanordnung im Detail zeigt;
Fig. 3 ein Rechenblock-Schema des Aufhängungssystems aus Fig. 1 zeigt, das Details eines erfindungsgemäßen Reglers zeigt;
Fig. 4 bis 8 Blockschemata des Reglers und der Steueralgorithmen sind, die sich für die vorliegende Erfindung eignen;
Fig. 9 ein Diagramm der relativen und absoluten Verschiebungen einer Aufhängung ist, die einem Stufeneintrag ausgesetzt ist, während sie durch die Algorithmen aus Fig. 4 und 5 gesteuert wird;
Fig. 10 ein Diagramm des Verschiebungs-Übertragungsverhältnisses der Steueralgorithmen aus Fig. 4 und 5 ist;
Fig. 11 ein Diagramm der relativen und absoluten Verschiebung einer Aufhängung ist, die einem Stufeneintrag ausgesetzt ist, während sie durch die Algorithmen aus Fig. 6, 7 und 8 gesteuert wird;
Fig. 12 ein Diagramm des Verschiebungs-Übertragungsverhältnisses der Steueralgorithmen aus Fig. 6, 7 und 8 ist; und
Fig. 13 der Verschiebungseintrag an die Aufhängung ist, wenn die Diagramme aus Fig. 9 und 11 erzeugt werden.
Fig. 1 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei bezeichnet Bezugszeichen 10 ein Aufhängungssystem mit zwei Freiheitsgraden oder ein ähnliches Kraft-isolierendes Lagerungssystem zum Steuern der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen. Das System verwendet einen Aufhängungsmechanismus 5, um die vertikal beabstandeten und relativ-beweglichen getragenen (oder "gefederten") und tragenden (oder "ungefederten") Elemente 12 und 14 miteinander zu verbinden. Beispielhaft werden die Elemente 12 bzw. 14 als gefederte und ungefederte Massenelemente eines aufgehängten Sitzes gezeigt. Alternativ könnte das System ein Lagerungs- und Aufhängungssystem für ein Fahrzeugführerhaus, ein Motorlager, das primäre Aufhängungssystem für ein Fahrzeuggestell oder irgendein anderes System darstellen, für das Schwingungsisolierung erforderlich ist.
Wie dargestellt, entspricht die gefederte Masse einem aufgehängten Sitz, der einen Fahrer 20 trägt und auf einem Fahrzeugführerhaus 16 montiert ist, das nicht im Detail gezeigt ist. Ein derartiger aufgehängter Sitz wird typischerweise verwendet, um einen Fahrer eines schweren Straßen- oder Geländefahrzeugs zu isolieren und zu schützen. Insbesondere besitzt das gefederte Element 12 eine Masse "m", die, wie in dem Beispiel veranschaulicht, einen dem Körper angepassten und gepolsterten Sitz 18, den Anteil der Masse des Fahrer 20, der durch den Sitz gestützt wird, und einen Anteil der Masse des Aufhängungsmechanismus 5 einschließt. Das ungefederte Element 14 schließt die Basis 22 ein, die verwendet wird, um den Sitz an dem Führerhaus 16 zu befestigen, sowie einen Anteil der Masse des Aufhängungsmechanismus 5. Im allgemeinen wird das Führerhaus 16 von einer Straße oder anderen Oberfläche durch nicht gezeigte zusätzliche Aufhängungskomponenten gestützt und isoliert. Derartige Aufhängungselemente reichen jedoch üblicherweise nicht aus, um das Führerhaus 16 von Unregelmäßigkeiten der Straßenoberfläche oder anderen Schwingungs einträgen vollständig zu isolieren. Folglich ist eine primäre Funktion des Systems 10, das getragene Element 12 soweit wie möglich von Schwingungs- oder anderen Kräften, die durch das Element 14 übertragen werden, zu isolieren.
Der Aufhängungsmechanismus für den Sitz aus Fig. 1 schließt eine mechanische Verbindung 50, eine einstellbare primäre Federanordnung 24 und eine halb-aktive Dämpferanordnung 26 ein. Die mechanische Verbindung 50 begrenzt die zur vertikalen Achse relative Bewegung des gefederten und ungefederten Elements 12 bzw. 14 und lässt daher nur eine Auf- und Abbewegung zwischen den Elementen zu. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht auf die vertikale Bewegung allein begrenzt ist und stattdessen Variationen des Systems ausgeführt werden können, in welchen die Steuerungsbewegung in alle drei physikalischen Raumrichtungen geht. Zum Zwecke einer klaren Darstellung wird jedoch eine Vorrichtung, die die Bewegung entlang lediglich einer Achse steuert, im Detail beschrieben. Eine Ausweitung auf zusätzliche Raumrichtungen kann durch den Fachmann erreicht werden.
Die mechanische Verbindung richtet die Feder und den Dämpfer 24 und 26 aus, um eine Kraft entlang der Bewegungsachse anzulegen. In die mechanische Verbindung 50 sind Anschläge integriert, die den Weg des Aufhängungsmechanismus 5 entlang der Bewegungsachse begrenzen. Diese Anschläge sind schematisch als zwei Sperrelemente 52 und 54 gezeigt. Das Bezugszeichen 51 stellt den Ausdehnungs-("Ausfederungs")-anschlag des Mechanismus 5 dar, der erreicht wird, wenn die Elemente 12 und 14 eine vollständige Ausdehnung erreichen. Das Bezugszeichen 53 stellt den Rückzugs-("Einfederungs")-anschlag des Aufhängungsmechanismus 5 dar, der erreicht wird, wenn sich die Elemente 12 und 14 in einer vollständig zurückgezogenen oder zusammengedrückten Position befinden. Stoßdämpfer 56 und 58, wie etwa federnde, verformbare elastomerische Polster oder dergleichen, werden typischerweise als Anschläge verwendet, um den Stoß zu dämpfen, wenn die Elemente 12 und 14 die Grenzen des Ausdehnungs- oder Rückzugswegs erreichen.
Die primäre Federanordnung 24 des Aufhängungsmechanismus 5 kann jede bekannte Ausführung einer Federanordnung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform, wie dargestellt, ist dies eine einstellbare Federanordnung, vorzugsweise eine Luftfeder-niveauregulierbare Anordnung, die dem Fahrer 20 erlaubt, in einer für den Komfort, die Sicherheit und die betriebliche Leistungsfähigkeit geeigneten Höhe zu sitzen. Die Charakteristik der primären Federanordnung 24 ist typischerweise derart gestaltet, dass die Eigenfrequenz des Aufhängungssystems 10 in der Größenordnung von 1 Hz über dem typischen Belastungsbe reich des Sitzes liegt. Die Federanordnung 24 muss jedoch nicht linear in ihrer Antwort sein, noch muss die Eigenfrequenz des Aufhängungssystems 10 besonders genau definiert sein.
Die halb-aktive Dämpferanordnung 26 des Aufhängungsmechanismus 5 kann jedwede geeignete Konstruktion besitzen. Typischerweise liegt diese als hydraulischer Kolben und Zylinder vor, wie in Fig. 2 dargestellt, wobei sie einen hydraulischen Zylinder 28 aufweist, der einen Kolben 30 umschließt. Eine Kolbenstange 32 ist mit dem Kolben 30 verbunden und ist am oberen Abschnitt der mechanischen Verbindung 50 durch ein geeignetes Verbindungsstück gesichert, das z. B. eine Lagerbuchse 34 einschließt, die aus einem Elastomer oder einem ähnlichen federnden, nachgiebigen Material besteht. Der Zylinder 28 ist am unteren Abschnitt der mechanischen Verbindung 50 durch ein geeignetes Verbindungsstück gesichert, das z. B. eine verformbare Lagerbuchse 36 einschließt, die auch aus einem Elastomer oder ähnlichem federnden, nachgiebigen Material besteht. Eine relative vertikale Bewegung zwischen den Elementen 12 und 14 verursacht eine relative Bewegung zwischen dem Zylinder 28 und dem Kolben 30. Das Verhältnis zwischen der relativen Bewegung zwischen den Elementen 12 und 14 und der relativen Bewegung zwischen dem Zylinder 28 und dem Kolben muss nicht 1 : 1 sein und die Lage der Dämpferanordnung 26 muss nicht, wie in Fig. 1 gezeigt, vertikal sein. Die relative Bewegung zwischen dem Zylinder 28 und dem Kolben 30 verdrängt ein Fluid (nicht gezeigt) zwischen den oberen und unteren Fluidkammern mit variablem Volumen 38 und 40 des Zylinders 28 über Durchflusswege 41 und 42. Der Durchflussweg 42 kann durch eine elektrische, mechanische oder andere Einrichtung schnell eingestellt werden, um die Kraft, die erforderlich ist, um eine Bewegung in entweder einer Ausdehnungs- oder Rückzugsrichtung zwischen dem Zylinder 28 und dem Kolben 30 zu bewirken, zu ändern. Der Durchflussweg 41 befindet sich parallel zum Durchflussweg 42 und ist ein stationärer viskoser Dämpfungsdurchgang. Durchflussweg 41 kann verwendet werden, um die Dämpfungscharakteristik des Dämpfers einzustellen, wenn die relative Bewegung zwischen dem Zylinder 28 und dem Kolben 30 gering ist, oder wenn der Durchflussweg 42 stark gedrosselt ist. Eine Einrichtung, wie etwa der schwimmende Kolben 43, kann bereitgestellt werden, um die Ausdehnung und Verdrängung des Fluids zu gewährleisten.
Die Dämpferanordnung 26 ist vorzugsweise stufenlos kraftgesteuert, wie dies in Petek et al., "Demonstration of an Autmotive Semi-active Suspension Using Electrorheological Fluid", SAE-Ausatz Nr. 950586, Februar 1995, und wie ferner in der US-PS 5,259,487 beschrieben ist, auf die hier für nähere Einzelheiten verwiesen wird.
Die Kraft, die benötigt wird, um eine relative Verschiebung des Zylinders 28 innerhalb des Kolbens 30 zu bewirken, ist auf eine gesteuerte Art und Weise von einem "ausgeschalteten" Dämpfungszustand mit geringer Dämpfungskraft zu einem höheren Dämpfungszustand mit größerer Dämpfungskraft schnell variierbar. Um stufenlos variierbar zu sein, sollte der Dämpfer ein Kontinuum an höheren Dämpfungszuständen aufweisen, die entweder wirklich stufenlos sein können, wie dies für einen elektrorheologischen Dämpfer der Fall wäre, oder sie können sonst im wesentlichen stufenlos sein, wie dies bei Vorliegen einer großen Anzahl diskreter höherer Dämpfungszustände erreicht werden könnte. In dem dargestellten Dämpfer ist die Dämpfungskraft in dem "ausgeschalteten" Zustand nicht Null aufgrund des viskosen Charakters des Fluids innerhalb des Dämpfers. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Dämpfungskraft stufenlos bis zu einer "maximalen" Dämpfungskraft variabel, die durch die Konstruktionszwänge der Fluid- und Dämpferanordnung bestimmt wird. Der Anstieg in der Dämpfungskraft über die "ausgeschaltete" Dämpfungskraft hinaus wird, wie in der veranschaulichten Vorrichtung, im wesentlichen unabhängig von der relativen Geschwindigkeit der Dämpferelemente erzeugt. Änderungen der Dämpfungskraft in dem bevorzugten Dämpfer, der ein elektrorheologisches Fluid verwendet, ergeben sich aus den elektrischen Feldern, die über dem Durchflussweg 42 angelegt werden, wobei sie den Fluidfluss durch den Weg als eine Funktion des angewendeten elektrischen Feldes einschränken.
Dann, wenn der Dämpfer, wie bevorzugt, ein elektrorheologischer Dämpfer ist, enthält er ein elektrorheologisch aktives Fluid enthalten. Elektrorheologische ("ER") Fluide sind Fluide, die ihre scheinbare Viskosität in Anwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes schnell und reversibel verändern können. Diese sind im allgemeinen Dispersionen von fein verteilten Feststoffen in hydrophoben, elektrisch nicht leitenden Ölen. Diese haben die Fähigkeit, ihre Strömungseigenschaften zu verändern, sogar bis zu dem Punkt des Erstarrens, wenn diese einem ausreichend starken elektrischen Feld unterworfen werden. Wird das Feld weggenommen, kehren die Fluide in ihren normalen flüssigen Zustand zurück. Für weitere Informationen hinsichtlich geeigneter elektrorheologischer Fluide wird auf die Druckschriften WO 93107244, WO 93/07243 und auf den Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ in EP-A-0 677 573, EP-A-0 677 574 und EP-A-0 699 744 verwiesen.
Wenngleich die Dämpferanordnung 26 vorzugsweise ein ER-Dämpfer ist, kann diese als jede Art von gesteuertem Dämpfer mit stufenlos variierbarer Kraft vorliegen. In einer solchen Vorrichtung kann die Dämpfungskraft, die größer als die "ausgeschaltete" Dämpfungskraft ist, schnell gesteuert werden, im wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit über dem Dämpfer, entweder durch eine mechanische, elektrorheologische, magnetorheologi sche oder eine andere Einrichtung. Überdies muss die Dämpferanordnung 26 nicht als hydraulischer Kolben und Zylinder vorliegen. Die Dämpferanordnung 26 kann z. B. ein in der US- PS 4,992,190, Shtarkman (siehe "Beispiel" in Spalte 60) beschriebener Drehtyp sein, in welchem die Kraft über einen "ausgeschalteten" Dämpfungszustand für die relative Drehbewegung zweiter Dämpferkomponenten schnell auf eine gesteuerte Art und Weise im wesentlichen unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der zwei Komponenten variiert werden.
Eine nachfolgend im Einzelnen diskutierte Steuerung 60 erzeugt ein Steuersignal zum Steuern des Durchflusswegs 42 der Dämpferanordnung 26, um die zwischen den Elementen 12 und 14 durch den Dämpfer angelegte Kraft "Fangelegt" schnell auszuwählen. Es wird darauf hingewiesen, dass die tatsächliche Kraft, die an dem Dämpfer erzeugt wird, um eine angelegte Kraft Fangelegt zwischen den Elementen 12 und 14 zu bewirken, von Fangelegt aufgrund der für den Sitzmechanismus 5 und die Lage der Dämpferanordnung 26 innerhalb des Mechanismus gestalteten Hebelverhältnissen unterschiedlich sein kann. Die angelegte Kraft Fangelegt bezieht sich jedoch auf die gesteuerte Kraft aufgrund der Dämpferanordnung 26, welche tatsächlich zwischen den Elementen 12 und 14 angelegt wird. Die Kraft Fangelegt wird durch das Steuerungsverfahren der vorliegenden Erfindung auf der Basis der Momentanbewegung des getragenen Elements 12 relativ zum nicht-getragenen Element 14 oder in Verbindung mit der absoluten Bewegung des getragenen Elements 12 ausgewählt.
Zum Berechnen der angelegten Kraft Fangelegt werden verschiedene Parameter verwendet. Die Ausdrücke "vabs" bzw. "aabs" bezeichnen die absolute vertikale Geschwindigkeit und die absolute vertikale Beschleunigung des getragenen Elements 12. Per Konvention zeigt ein positiver Wert dieser Zustandsvariablen eine nach oben weisende Richtung und ein negativer Wert eine nach unten weisende Richtung an. Die Bezeichnungen "xrel", "vrel" bzw. "arel" bezeichnen die relative vertikale Verschiebung, die relative vertikale Geschwindigkeit und die relative vertikale Beschleunigung zwischen dem getragenen Element 12 und dem nichtgetragenen Element 14. Übereinstimmend mit der vorstehenden Verwendung zeigt ein positiver Wert dieser Variablen eine nach oben weisende Richtung des getragenen Elements 12 weg von dem nicht-getragenen Element 14 und ein negativer Wert eine nach unten weisende Richtung an.
Die zeitlich gemittelte Gleichgewichtsposition des Aufhängungsmechanismus 5 wird als Null definiert. Aufgrund von Reibung in dem Aufhängungsmechanismus 5 entspricht die zeitlich gemittelte Gleichgewichtsposition unter Umständen nicht der statischen oder Ruheposition, da die Reibung den Mechanismus an dem Zurückkehren zu der wahren, zeitlich gemittelten Gleichgewichtsposition hindern kann. Insbesondere kann eine Ruheposition davon abhängen, ob die Rückkehr zum Gleichgewicht aus der positiven Richtung oder der negativen Richtung erfolgt, sowie von der Geschwindigkeit des Systems, wenn dieses das Gleichgewicht erreicht, und anderen Variablen. Daher stellt das zeitlich gemittelte Gleichgewicht die beste Abschätzung für das wahre Gleichgewicht bereit. Der Abstand von dieser Gleichgewichtsposition zu dem Ausdehnungsanschlag 51 ist als xrel = x+limit definiert und der Abstand von der Gleichgewichtsposition zu dem Rückzugsanschlag 53 ist als xrel = x-limit definiert. In dem Aufhängungssystem 10 kann die Höhe des Aufhängungsmechanismus frei wählbar eingestellt werden, um dem Fahrer Komfort, Sicherheit und Arbeitseffizienz zu ermöglichen, wobei die Gleichgewichtsposition durch den Fahrer ausgewählt wird. In Aufhängungssystemen ohne eine einstellbare Höhenverstellung wird die Gleichgewichtsposition durch die Masse des Fahrers beeinflusst. Demgemäß, obwohl die tatsächliche Gleichgewichtsposition nicht für alle Fahrer die gleiche ist, wird die Gleichgewichtsposition für jeden Fahrer immer als xrel = 0 definiert werden, und x+limit und x-limit werden entsprechend variieren. Entsprechend mag der Fahrer den Wunsch besitzen, die Hubgrenze des Aufhängungsmechanismus 5 einzustellen, um den Abstand von den Armen und Beinen des Fahrers zu den Fahrzeug-Bedienungseinrichtungen zu begrenzen. Folglich, wenn auch xrel üblicherweise von dem Ausdehnungsanschlag 51 bis zu dem Ausfederanschlag 53 variieren kann, mag der Fahrer gegebenenfalls den Hub auf einen geringeren Bereich begrenzen. Daher ist in einer Ausführungsform ein Merkmal in dem Aufhängungssystem 10 eingeschlossen, um es dem Fahrer zu ermöglichen, unabhängig die Verschiebungsgrenzen x+limit und x-limit relativ zu der Gleichgewichtsposition von xrel zu setzen, solange diese Grenzen innerhalb der durch die Anschläge 51 und 53 erlaubten maximalen Verschiebungen liegen. In der vorliegenden Darstellung werden die Verschiebungsgrenzen jedoch durch die mechanischen Anschläge 51 und 53 bestimmt. Allgemeiner betrachtet stellen x+limit und x-limit, unabhängig von ihrer Herkunft oder Art zulässige Verschiebungsgrenzen dar.
Eine Steuerung 60 empfängt Eingangsdaten von den Bewegungssensoren 62 und 64, die mit den Elementen 12 und 14 verbunden sind, und, in dieser Darstellung, von einem Drucksensor 66, der mit einer Luftfederanordnung 24 verbunden ist. Sensor 62 detektiert direkt die momentane relative Verschiebung xrel der Elemente 12 und 14. Sensor 64 detektiert die momentane absolute Beschleunigung aabs des Elements 12. Sensor 66 detektiert den zeitlich gemittelten Druck in der Luftfeder der Federanordnung 24, welcher eine Funktion der Masse m des gefederten Elements 12 ist. Daten von den Sensoren 62, 64 und 66 werden über Leitungen 68, 70 und 72 an die Steuerung 60 gesendet. Diese Daten werden von der Steuerung 60 verwendet, um ein Signal zu berechnen, welches über Leitung 74 an eine Energie quelle 76 gesendet wird. Die Energiequelle 76 erzeugt dann das geeignete Steuersignal, das über Leitung 78 an die halb-aktive Dämpferanordnung 26 gesendet wird, um schnell die durch den Dämpfer anzulegende Kraft Fangelegt auszuwählen. Es wird angemerkt, dass die hier genannten Signale typischerweise elektrische Signale sein werden, aber im Prinzip können diese aus jeder Art von Signalen bestehen, die geeignet sind, um Informationen von einer Komponente des Systems zu einer anderen zu transportieren, einschließlich pneumatischer, optischer, magnetischer oder mechanischer Signale. Es wird ferner angemerkt, dass das Steuersignal für einige Ausführungsformen der halb-aktiven Dämpferanordnung 26, das über Leitung 78 für eine angelegte Kraft der Größenordnung Fangelegt in entweder die positive Richtung oder die negative Richtung gesendet wird, das gleiche Signal sein kann. Dies ist jedoch nicht wesentlich, da die. Einfederungs- und Ausfederungskraft für den Dämpfer 28 unterschiedlich sein kann für die gleiche Beschränkung des gesteuerten Durchflusswegs 42 aufgrund verschiedener Konstruktionsmerkmale wie etwa des Vorliegens der Kolbenstange 32 auf nur einer Seite des Kolbens 30. Entsprechend muss die maximale Kraft Fmax, die zwischen den Elementen 12 und 14 angelegt werden kann, in sowohl der Einfederungs- als auch der Ausfederungsrichtung nicht die gleiche sein. Folglich ist darauf hinzuweisen, dass die Steuerung die Unterschiede in der Einfederungs- und Ausfederungsrichtung ausgleichen kann, oder dass die Steuerung abschätzen kann, dass das gleiche Signal die gleiche Kraft Fangelegt unabhängig von der Richtung erzeugt.
Fig. 3 zeigt ein Rechenblock-Schema des Aufhängungssystems mit der Steuerung 60. Die Steuerung 60 besitzt einen Eingabeblock 80, einen Block zur Berechnung der Zustandsvariablen 82, eine Systemkraft "Fsys"-Berechnungsblock 84, einen Block zur Berechnung der angelegten Kraft Fangelegt 86 und einen Ausgangssignal-Berechnungsblock 88. Diese werden nachstehend im Einzelnen genauer beschrieben.
Der Eingabeblock 80 empfängt die Sensordaten über Leitungen 68, 70 und 72 und wandelt diese Signale in Werte für die folgenden Zustandsvariablen um: zeitlich gemittelte Masse m des gefederten Elements 12, momentane relative Verschiebung xrel und, wenn für nachfolgende Berechnungen in dem Berechnungsblock 86 nötig, die momentane absolute Beschleunigung aabs des gefederten Elements 12.
Der Berechnungsblock für die Zustandsvariablen 82 differenziert die Signale der relativen Verschiebung xrel, um die momentane relative Geschwindigkeit vrel zu erhalten, und berechnet den Abstand "d" von der relativen Verschiebung xrel zu der Verschiebungsgrenze x+limit oder x-limit in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel. Das bedeutet, wenn vrel positiv ist, dann gilt d = x+limit - xrel, und wenn vrel negativ ist, dann gilt d = x-limit - xrel. Der Berechnungsblock für die Zustandsvariablen 82 differenziert ferner die Daten der relativen Geschwindigkeit vrel, um die momentane relative Beschleunigung arei zu erhalten, und integriert die absolute Beschleunigung aabs, um die absolute Geschwindigkeit vabs zu erhalten, wenn diese Zustandsvariablen für die nachfolgenden Berechnungen in dem Berechnungsblock 86 benötigt werden.
Dem Fachmann ist bekannt, dass die Ableitungsfunktion durchgeführt werden kann, wobei ein Bandpassfilter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von wenigstens etwa 10 mal der höchsten interessierenden Frequenz verwendet wird. Entsprechend ist es dem Fachmann auch bekannt, dass die Integration durchgeführt werden kann, wobei ein Bandpassfilter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von höchstens etwa 0,1 mal der niedrigsten interessierenden Frequenz verwendet wird. Das Verwenden dieser Integrationsmethode eliminiert die Bedenken in Bezug auf den konstanten Ausdruck der absoluten Geschwindigkeit vabs, da die 0 Hz Geschwindigkeit Null gesetzt wird. Das bedeutet, es ist eine bekannte physikalische Tatsache, dass der Begriff der absoluten Geschwindigkeit streng genommen bedeutungslos ist. Der Ausdruck "absolute Geschwindigkeit" wird hier jedoch als ein Fachausdruck verwendet, wie es auf diesem Gebiet üblich ist, um die durch die Integration der absoluten Beschleunigung eines Körpers erhaltenen Ergebnisse zu bezeichnen. Die Verwendung eines Bandpassfilters zweiter Ordnung mit einer geeignet ausgewählten Eckfrequenz wird eine sogenannte oder bewertete absolute Geschwindigkeit bereitstellen, die in der Tat eine Geschwindigkeit relativ zur unmittelbar vorhergehenden mittleren gleichförmigen Bewegung des Körpers ist.
Es können entweder analoge oder digitale Filter verwendet werden, wenn die Differentiations- oder Integrationsfunktionen durchgeführt werden. Aufgrund ihrer Leistungsstabilität werden digitale Filter bevorzugt. Für weitere Informationen hinsichtlich digitaler Filter, ihrer Verwendung bei der Differentiation und bei der Integration, um die absolute Geschwindigkeit abzuschätzen, wird auf Miller et al., "The Design and Development of a Semi-active Suspension for a Military Tank", Aufsatz 881133, Society of Automotive Engineers, Inc., 1988, Seiten 1-9, insbesondere Seiten 6-7, und Miller, "The effect of hardware limitations on an on/off semi-active suspension", Aufsatz C442188, I. Mech. E., 1988, Seiten 199-205, insbesondere Seiten 202-203, hingewiesen.
Beim Auswählen eines Frequenzbereiches zum optimalen Steuern des Aufhängungssystems ist man unter Umständen geneigt, einen größtmöglichen Bereich auszuwählen, bei dem Versuch, eine maximale Leistungsfähigkeit bereitzustellen. Aufgrund von Auflösungs- und Verarbeitungszeitzwängen der digitalen Prozessoren der gegenwärtigen Technologie, besonders, wenn Filter zum Ausführen der Differentiations- und Integrationsfunktion verwendet werden, und aufgrund der Antwortzeitzwänge der anderen Elemente des Aufhängungssystems, sollte der Bereich jedoch im allgemeinen konservativ ausgewählt werden. Bei einem aufgehängten Sitz ist der Frequenzbereich zur optimalen Steuerung typischerweise von der Resonanzfrequenz des Aufhängungssytems, in der Größenordnung von 1 Hz, bis zu einer Frequenz von etwa 20 Hz ausgewählt. Im allgemeinen kann für einen aufgehängten Sitz auch ein "weniger-als-optimal gesteuerter" Aufhängungsmechanismus 5 und, insbesondere der gepolsterte Sitz 18 eine Isolierungsmaßnahme für Einträge größer als 20 Hz bereitstellen, was ausreichend sein kann. Folglich ist bei dieser Anwendung die niedrigste interessierende Frequenz im allgemeinen 1 Hz; demgemäß beträgt die Eckfrequenz für die Integration höchstens 0,1 Hz. Die höchste interessierende Frequenz ist im allgemeinen 20 Hz; demgemäß ist die Eckfrequenz für die Differentiation der Daten der relativen Verschiebung xrel, um die momentane relative Geschwindigkeit vrel zu erhalten, wenigstens 200 Hz. Für die Algorithmen, die die relative Beschleunigung in dem Berechnungsblock 86 verwenden, kann die relative Geschwindigkeit vrel auf entsprechende Weise differenziert werden, um die momentane relative Beschleunigung arel zu erhalten. Im allgemeinen kann eine zweite Differentiation ein Signal mit beträchtlich höherem Frequenzrauschen zur Folge haben. Glücklicherweise, unabhängig davon, ob die relative Beschleunigung arel berechnet oder direkt gemessen wird, sind nur die Beschleunigungen nahe der Resonanzfrequenz von Bedeutung. Insbesondere, da die relative Beschleunigung arel äußerst frequenzabhängig ist, wird in der bevorzugten Ausführungsform des Algorithmus mit der relativen Beschleunigung ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von wenigstens zweimal der Resonanzfrequenz und höchstens 20 mal der Resonanzfrequenz verwendet. Folglich, für den Fall einer Sitzaufhängung mit einer Resonanzfrequenz von 1 Hz, werden die Daten der relativen Beschleunigung arel gefiltert, wobei ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz zwischen 2 und 20 Hz verwendet wird.
Die Ausgangsgrößen des Eingabeblocks 80 und des Berechnungsblocks für die Zustandsvariable 82 der Steuerung 60 sind die Zustandsvariablen des Systems. Diese Variablen sind die zeitlich gemittelte effektive Masse m des getragenen Elements 12, die momentane relative Verschiebung xrel und die momentane relative Geschwindigkeit vrel der Elemente 12, 14, der momentane Abstand d zu der Verschiebungsgrenze in Richtung von vrel und, wenn in Block 86 benötigt, die momentane relative Beschleunigung arel der Elemente 12 und 14 und die momentane absolute Geschwindigkeit vabs des Elements 12. Es wird darauf hingewiesen, dass nicht alle der dargestellten Sensoren verwendet oder bereitgestellt werden müssen in Verbindung mit dem System 10, um die benötigten Zustandsvariablen für jeden Berechnungsmodus zu erzeugen oder abzuleiten. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass diese Daten auch erzeugt oder abgeleitet werden können aus Daten anderer Sensoren oder anderer Arten von Sensoren oder Eingaben als die in Fig. 1 gezeigten, dass diese Daten abgeleitet werden können, wobei eine andere Integrations- oder Differentiationseinrichtung als die vorstehend beschriebenen verwendet wird, oder dass diese Daten gefiltert werden können, um das hohe Frequenzrauschen oder die Rückkopplung zu begrenzen, wobei andere Verfahren als die vorstehend beschriebenen verwendet werden.
Der Berechnungsblock für die Systemkraft Fsys 84 der Steuerung 60 berechnet alle Kräfte, die zwischen den Elementen 12 und 14 durch den Aufhängungsmechanismus 5 angelegt werden mit Ausnahme der steuerbaren angelegten Kraft Fangelegt und jenes Anteils der Federkraft, der die Elemente 12, 14 in der Gleichgewichtsposition als Antwort auf die Schwerkraft hält. Eingeschlossen in der Systemkraft sind die Änderung der Federkraft der primären Federanordnung 24, wenn die Federanordnung aus der Gleichgewichtsposition ausgelenkt ist, die "ausgeschaltete" Dämpfungskraft der halb-aktiven Dämpferanordnung 26, die durch die mechanische Verbindung 50 erzeugte Reibungskraft und jedwede zusätzliche Kraft aufgrund der elastomerischen Lagerbuchsen innerhalb des Aufhängungsmechanismus. Die zusätzlichen Kräfte könnten z. B. Kräfte aufgrund der Einfederungs- oder Ausfederungsstoßdämpfer 56 oder 58 einschließen, sollte die relative Verschiebung xrel ausreichend groß sein, um einen Kontakt mit dem entsprechenden Dämpfer 56 oder 58 zu gewährleisten.
Nun sollen die wahrscheinlichen oder üblichen Werte für die Komponenten der Systemkraft Fsys betrachtet werden. Die Änderung bei der primären Federkraft zwischen den Elementen 12 und 14 von der Gleichgewichtsposition beträgt -xrel mal der Federkonstante "k" der Federanordnung 24 in der Position xrel. Da die dargestellte Luftfeder eine relativ lineare Feder ist, kann k in diesem Fall als eine Konstante gleich der Federkonstante in der Gleichgewichtsposition abgeschätzt werden. Zweitens kann die "ausgeschaltete" Dämpfungskraft zwischen den Elementen 12 und 14 der Dämpferanordnung 26 durch -Cvrel abgeschätzt werden, wobei "C" eine einstellbare Konstante ist, die von dem Leistungscharakter der Dämpferanordnung 26 abhängen kann oder die eingestellt werden kann, um die berechnete Kraft FSYS zu optimieren. Schließlich ist die Reibungskraft des Aufhängungsmechanismus typischerweise eine geschwindigkeitsunabhängige Konstante in Richtung entgegengesetzt zur relativen Geschwindigkeit vrel, wenn die Geschwindigkeit ungleich Null ist, und ist eine andere, üblicherweise größere Konstante, wenn die relative Geschwindigkeit vrel gleich Null ist. Das bedeutet, die Reibungskraft ist -Fdynamisch mal dem Vorzeichen der relativen Geschwindigkeit sgn(vrel), wenn vrel, ungleich Null ist, und ist -Fstatic mal dem Vorzeichen jeder entgegenwirkenden Kraft, wenn vrel Null ist (die Größenordnung der statischen Reibungskraft Fstatic kann jedoch nie größer als die entgegenwirkende Kraft sein). Eine andere Betrachtungsweise der Reibungskraft besteht darin, wie vorstehend beschrieben, dass die Reibungskraft bewirken kann, dass die Ruheposition des Sitzaufhängungssystems 10 eine andere ist als die Gleichgewichtsposition der Sitzaufhängung ohne Reibung. Insbesondere gestattet die Reibungskraft einen Bereich möglicher Ruhepositionen des Sitzes. Dieser Bereich der Ruhepositionen kann als eine Verschiebungstotzone "±xdb" um die Gleichgewichtsposition angesehen werden. Eine Abschätzung der Reibungskraft kann in der abgeschätzten Federkraft derart eingeschlossen sein, dass die kombinierte Kraft -kx' ist, wobei x' die relative Verschiebung der Elemente 12 und 14 über eine Verschiebungstotzone xdb hinaus mit einem Wert größer oder gleich Null ist. Bei dieser Formulierung ist x' Null, wenn der absolute Wert der relativen Verschiebung xrel kleiner oder gleich der Verschiebungstotzone xdb ist, x' ist xrel - xdb, wenn der absolute Wert der relativen Verschiebung xrel größer ist als die Verschiebungstotzone xdb und xrel positiv ist, oder x' ist xrel + xdb, wenn der absolute Wert der relativen Verschiebung xrel größer ist als die Verschiebungstotzone xdb und xrel negativ ist. Die anderen inneren Kräfte des Aufhängungssystems 10 werden in diesem Fall als unbedeutend angesehen, da die Einfederungs- und Ausfederungsstoßdämpfer 56, 58 im allgemeinen nicht innerhalb der ausgewählten Verschiebungsgrenzen x-limit, x+limit berührt werden. Daher wird für eine Sitzaufhängung 10 die ungesteuerte Systemkraft Fsys abgeschätzt durch Fsys = -kx' - Cvrel wobei k, x' und C vorstehend definiert sind. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Abschätzungen der Systemkraft Fsys gemacht werden können. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Abschätzung so gemacht werden kann, dass die Systemkraft Fsys gleich Null ist. Es wird weiter darauf hingewiesen, dass andere Sensoren als die in Fig. 1 gezeigten verwendet werden können, um Werte für die inneren Kräfte des Aufhängungssystems zu erhalten.
Der Block für die angelegte Kraft Fangelegt 86 der Steuerung 60 in Fig. 5 verwendet die durch Block 80 erhaltenen und in Block 82 berechneten Zustandsvariablen und die in Block 84 bestimmte Kraft Fsys, um die durch die halb-aktive Dämpferanordnung 26 anzulegende gesteuerte Kraft zu berechnen. Der Steueralgorithmus, der verwendet wird, um eine verbesserte Steuerung und Isolierung des gefederten Elements 12 bereitzustellen, das den Fahrer 20 einschließt, wird nachfolgend im einzelnen beschrieben. Die Ausgabe von Block 86 ist ein Signal, das der durch den Dämpfer anzulegenden Kraft Fangelegt entspricht.
Der Ausgangssignal-Berechnungsblock 88 wandelt das Signal der Kraft Fangelegt in ein (üblicherweise) elektrisches Signal um, welches zu der Energiequelle 76 gesendet wird, die ihrerseits ein geeignetes Steuersignal erzeugt, um die gewünschte Kraft Fangelegt zwischen den Elementen 12 und 14 durch die Dämpferanordnung 26 zu erreichen. Um zu bestimmen, welches elektrische Signal benötigt wird, muss die Eingangs-/Ausgangs-Kennlinie der Energiequelle 76 und der Dämpfung als eine Funktion der relativen Bewegung der Elemente 12 und 14 der Dämpferanordnung 26 definiert werden. In den Fällen, in denen die halb-aktive Dämpferanordnung 26 ein elektrorheologischer Dämpfer ist, könnte die Energiequelle 76 ein einpolarer Hochspannungsverstärker mit dem Verstärkungsfaktor "α" sein, derart, dass die Ausgangsspannung "Vaus" α mal "Vein" ist. Dann, wenn eine Ausgangsspannung "Vmax" benötigt wird, um die maximal angelegte Kraft "Fmax" in Richtung der durch die Dämpferanordnung 26 zwischen dem gefederten und dem ungefederten Element 12 bzw. 14 angelegten Kraft Fangelegt zu erreichen, beträgt die angelegte Spannung "Vangelegt", die benötigt wird, um eine angelegte Kraft Fangelegt zu erreichen: Vangelegt = Vmax Fangelegt/Fmax. Daher ist das elektrische Signal von dem Block 88 für eine elektrorheologische Dämpferanordnung 26, das an einen Hochspannungsverstärker 76 übertragen wird, ein Spannungssignal gleich der vorstehend berechneten Spannung Vangelegt dividiert durch α. Wird die Abschätzung gemacht, dass die gleiche angelegte Spannung Vangelegt die gleiche Dämpfungskraft unabhängig von der Richtung der relativen Bewegung der Dämpferanordnung 26 erreicht, und wird ferner abgeschätzt, dass die Größenordnung von Fmax die gleiche für sowohl die Einfederung als auch die Ausfederung ist, dann ist die angelegte Spannung: Vangelegt = Vmax Fangelegt / Fmax .
Ist die halb-aktive Dämpferanordnung 26 jedoch ein magnetorheologischer Dämpfer, könnte die Energiequelle 76 ein einpolarer Stromverstärker mit einem Verstärkungsfaktor "β" sein, derart, dass der Ausgangsstrom "Iaus" β mal "Iein" ist. Wird ein Ausgangsstrom "Imax" benötigt, um die maximal angelegte Kraft Fmax in die Richtung der durch die Dämpferanordnung 26 zwischen dem gefederten und dem ungefederten Element 12 bzw. 14 angelegten Kraft Fangelegt zu erreichen, dann beträgt der angelegte Strom "Iangelegt" der benötigt wird, um eine angelegte Kraft Fangelegt zu erreichen: Iangelegt = Imax Fangelegt/Fmax. Daher ist das elektrische Signal von dem Block 88 für eine magnetorheologische Dämpferanordnung, das an einen Stromverstärker 76 übertragen wird, ein Stromsignal gleich dem vorstehend berechneten Strom Iangelegt dividiert durch β.
Verwendet die halb-aktive Dämpferanordnung 26 eine mechanische Einrichtung, um eine variierbare Dämpfung zu erreichen, könnte die Energiequelle eine Pulsbreiten-modulierte Stromversorgung sein, derart, dass der Dämpfer eine maximal angelegte Kraft Fmax erreicht, dann, wenn der Prozentanteil "eingeschaltete" Zeit "tein" 100% ist. Der Prozentanteil "eingeschaltete" Zeit, um Fangelegt zu erreichen, beträgt: tein = 100 Fangelegt/Fmax
Es wird darauf hingewiesen, dass, abhängig von der Art der Energiequelle 76 und dem Eingangssteuersignal, das von der Dämpferanordnung benötigt wird, unabhängig von deren Aufbau, andere elektrische Ausgangssignale von dem Ausgangssignal-Berechnungsblock 88 als die vorstehend beschriebenen verwendet werden können.
Der Block für die angelegte Kraft 86 arbeitet mittels einem oder mehreren dort einprogrammierten Steueralgorithmen, um die verbesserte Steuerung und Isolierung der gefederten Masse für die relativen Verschiebungen xrel innerhalb der Verschiebungsgrenzen x+limit und x-limit bereitzustellen. Allgemeine Eigenschaften von jedem der zu beschreibenden Steueralgorithmen sind die folgenden: 1) jeder setzt die Eingabe bestimmter System-Zustandsvariablen voraus, 2) jeder setzt voraus, dass die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt wird, jedes Mal, wenn die berechnete Kraft Fangelegt in die gleiche Richtung wie vrel zeigt, da die halb-aktive Dämpferanordnung 26 nur eine Kraft anlegen kann, die entgegengesetzt der Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel ist, 3) jeder setzt voraus, dass die angelegte Kraft Fangelegt gleich der maximal erreichbaren Kraft durch den Dämpfer Fmax in Richtung von Fangelegt gesetzt wird, wenn das Verhältnis der berechneten Kraft Fangelegt zu Fmax größer als 1 ist, und 4) jeder setzt voraus, dass dann, wenn der absolute Wert der relativen Geschwindigkeit vrel kleiner ist als die vorher ausgewählte Geschwindigkeitstotzorle "vdb", die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt wird. Der Zweck einer Geschwindigkeitstotzone vdb ist in erster Linie, jedwede wahrgenommene "Rauhigkeit" des Systems zu minimieren. Während jeder der nachfolgend beschriebenen Algorithmen eine angelegte Kraft Fangelegt berechnet, die Null ist, wenn die relative Geschwindigkeit vrel gleich Null ist, können Ansprechzeitbegrenzungen der Dämpferanordnung 26 und in der Berechnungsgeschwindigkeit zu einer Verzögerung beim Bestimmen von vrel oder beim Berechnen von Fangelegt führen. Tritt dies ein, könnte eine angelegte Kraft Fangelegt ungleich Null zu dem Zeitpunkt, wenn die relative Geschwindigkeit vrel ihre Richtung ändert, auftreten. Dieses Phänomen würde eine nicht-tolerierbare reibungsähnliche Rauhigkeit in das Aufhängungssystem 10 einbringen. Folglich kann eine Geschwindigkeitstotzone vdb verwendet werden, um die Auswirkungen solcher Zeitverzögerungen auf das Aufhängungssystem sowie die Rauhigkeit zu minimieren.
Die verbesserte Schwingungssteuerung, die in einer wichtigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreicht wird, ergibt sich durch das explizite Einbeziehen von Fsys in die Berechnung von Fangelegt. Die gesamte angelegte Kraft kann als aus zwei Komponenten zusammengesetzt angesehen werden, einer ersten berechneten Komponente Fcalc sowie einer zweiten Systemkomponente Fsys, die vorzugsweise als eine Nicht-Null-Kraft, wie vorstehend beschrieben, angenommen wird. Fcalc kann durch jeden einer Vielzahl von Isolierungs- und Steueralgorithmen berechnet werden, von denen einige im einzelnen nachstehend beschrieben sind. Fcalc wird im allgemeinen aus der Kenntnis der Position und der Bewegung der Elemente der Aufhängung derart berechnet, dass diese ausreicht, dafür zu sorgen, dass die relative Bewegung der Elemente an dem Überschreiten vorgegebener Grenzen gehindert wird. Die bevorzugte Berechnung von Fangelegt, wie in der vorliegenden Erfindung, geht jedoch durch explizites Subtrahieren des Beitrags der Systemkräfte über diese Berechnung hinaus, wobei eine angelegte Kraft bereitgestellt wird, die für eine wirksame Bewegungssteuerung besser geeignet ist.
Die allgemeine Beschreibung des Steuerungssystems kann daher mit Hilfe der folgenden Schritte ausgedrückt werden:
(a) Messen der Verschiebung xrel des zweiten Elements relativ zu dem ersten Element, wobei xrel in der Gleichgewichtsposition als Null definiert ist;
(b) Bestimmen der relativen Geschwindigkeit vrel zwischen dem ersten und zweiten Element;
(c) Berechnen einer Kraft Fangelegt definiert durch:
Fangelegt = Fcalc - Fsys
wobei Fcalc eine Kraft ist, die anhand der bekannten Position und der Bewegung der Elemente berechnet ist und ausreichend ist, um zu verhindern, dass die Relativbewegung der Elemente festgelegte Grenzen überschreitet, und
Fsys eine Nicht-Null-Summe der Kräfte ist, die zwischen dem ersten und zweiten Element wirken, die von der gesteuerten Kraft verschieden sind, die durch die zweite Krafteinrichtung angelegt wird,
mit der Maßgabe, dass
Fangelegt = 0, wenn die Kraft Fangelegt in die gleiche Richtung wie die relative Geschwindigkeit vrel der Elemente wirkt, oder wenn vrel ≤ db, wobei vdb eine Geschwindigkeitstotzone mit einem voreingestellten Wert größer oder gleich Null ist, und
Fangelegt = Fmax, wenn die Kraft Fangelegt in die Richtung entgegengesetzt zur relativen Geschwindigkeit vrel der Elemente wirkt und größer als die maximale Kraft Fmax ist, die durch die zweite Krafteinrichtung in die Richtung von Fangelegt angelegt werden kann; und
(d) Anlegen der Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element.
Fig. 4 zeigt ein Blockschema der Steuerung, die einen ersten Algorithmus (I) zum Steuern der relativen Bewegung zwischen dem gefederten und dem ungefederten Element 12 bzw. 14 aus Fig. 1 enthält. Dieser Algorithmus ist hauptsächlich so gestaltet, um große Verschiebungen zu vermeiden, in welchen xrel x+limit oder x-limit überschreitet. Wie in den Blocks für die Eingabe, für die Berechnung der Zustandsvariablen und für die Berechnung der Systemkraft aus Fig. 3 beginnt der Steuerungsprozess durch Einstellen der Masse m und der Gleichgewichtsposition der relativen Verschiebung xrel auf die zeitlich gemittelten Werte, die aus den Drucksensor- und den Verschiebungssensordaten erhalten werden. Die momentane relative Verschiebung xrel wird gemessen und die momentane relative Geschwindigkeit vrel, die momentane relative Beschleunigung arel und der momentane Abstand zu der zulässigen äußersten Verschiebung d in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel werden berechnet. Zusätzlich wird die momentane Systemkraft Fsys berechnet. Diese Daten werden von dem Algorithmus verwendet.
Der erste Schritt des Algorithmus an sich besteht darin, zu ermitteln, ob der absolute Wert der relativen Geschwindigkeit vrel größer ist als eine vorausgewählte Geschwindigkeitstotzone vdb. Ergibt die Ermittlung ein "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für eine angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung ein "ja", dann wird ermittelt, ob die relative Geschwindigkeit im Quadrat v²rel größer ist als -2areld. Ergibt die Ermittlung ein "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für eine angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Das bedeutet, wenn die Richtung der Beschleunigung weg von dem Endanschlag in die Richtung der Bewegung geht und wenn die Beschleunigung ausreichend groß ist, dass der Endanschlag in keinem Fall getroffen wird, dann ist keine zusätzliche Dämpfungskraft nötig. Ergibt die Ermittlung jedoch ein "ja", dann wird wei ter ermittelt, ob die relative Geschwindigkeit vrel größer als Null ist. Ergibt die Ermittlung ein "nein", dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
und wenn die Ermittlung ein "ja" ergibt, dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
In jeder dieser Formeln wird die angelegte Kraft Fangelegt derart berechnet, dass sie, in Kombination mit der Systemkraft Fsys, gerade ausreicht, die relative Geschwindigkeit auf Null an der sich annähernden Grenze zu reduzieren, wobei die unmittelbare relative Beschleunigung arel, die relative Geschwindigkeit vrel, die zulässige äußerste Verschiebung d und die Systemkraft Fsys gegeben sind. Dann wird eine Ermittlung durchgeführt, ob die so berechnete angelegte Kraft Fangelegt mal der relativen Geschwindigkeit ver, kleiner als Null ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert gleich Null anzulegen. (Dies ist so, da die Kraft im halb-aktiven System nur in die Richtung entgegengesetzt zu vrel angelegt werden kann.) Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ermittelt, ob das Verhältnis von Fangelegt zu der maximalen, durch die Dämpferanordnung 26 in Richtung von Fangelegt erreichbaren Kraft Fmax kleiner als 1 ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich der maximalen Kraft Fmax gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die maximal angelegte Kraft Fmax anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ein elektrisches Signal an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft Fangelegt anzulegen. Sobald das elektrische Signal an die Energiequelle zur Umwandlung in das Steuersignal für den halb-aktiven Dämpfer übertragen worden ist, wiederholt sich der Steuerungsprozess.
Es leuchtet ein, dass der vorstehend beschriebene erste Algorithmus (I) eine Art der allgemeinen Beschreibung des vorstehend dargestellten Steuersystems ist. Darin ist
wenn vrel > 0
und v²rel > -2areld, (Bedingung 1)
wenn vrel < 0
und v²rel > -2areld, (Bedingung 2)
mit der Maßgabe, dass Fangelegt = 0, wenn Bedingungen 1 und 2 nicht erfüllt sind.
Fig. 5 zeigt ein Blockschema der Steuerung, das einen zweiten Algorithmus (II) zum Steuern der relativen Bewegung zwischen dem gefederten und dem ungefederten Element 12 bzw. 14 aus Fig. 1 enthält. Dieser Algorithmus ist gleichfalls hauptsächlich so gestaltet, um zu verhindern, dass die relative Verschiebung xrel die Verschiebungsgrenzen x+limit oder x-limit überschreitet. Wie in dem vorstehenden Fall beginnt der Steuerungsprozess durch Einstellen der Masse m und der Gleichgewichtsposition der relativen Verschiebung xrel auf die zeitlich gemittelten Werte, die durch die Drucksensor- und Verschiebungssensordaten erhalten werden. Die momentane relative Verschiebung xrel wird gemessen und die momentane relative Geschwindigkeit vrel und der momentane Abstand zu der zulässigen äußersten Verschiebung d in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel werden berechnet. Zusätzlich wird die momentane Systemkraft Fsys berechnet. Diese Daten werden von dem Algorithmus verwendet.
Der erste Schritt des Algorithmus besteht darin, zu ermitteln, ob der absolute Wert der relativen Geschwindigkeit vrel größer ist als eine vorausgewählte Geschwindigkeitstotzone vdb. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
In diesem Fall ist die angelegte Kraft Fangelegt, wenn mit der Systemkraft Fsys kombiniert, gerade ausreichend, um die relative Geschwindigkeit auf Null zu reduzieren, wobei nur die aktuelle relative Geschwindigkeit vrel, die aktuelle zulässige äußerste Verschiebung d und die aktuelle Systemkraft Fsys gegeben sind. Dann wird ermittelt, ob die so berechnete angelegte Kraft Fangelegt mal der relativen Geschwindigkeit vrel kleiner als Null ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ermittelt, ob das Verhältnis von Fangelegt zu der maximalen, durch die Dämpferanordnung 26 in Richtung von Fangelegt erreichbaren Kraft Fmax kleiner als 1 ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich der maximalen Kraft Fmax gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die maximal angelegte Kraft Fmax anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ein elektrisches Signal an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft Fangelegt anzulegen. Sobald das elektrische Signal an die Energiequelle zur Umwandlung in das Steuersignal für den halb-aktiven Dämpfer übertragen ist, wiederholt sich der Steuerungsprozess.
Es leuchtet ein, dass dieser zweite Algorithmus (II) ebenso eine Art der allgemeinen Beschreibung des vorstehend dargestellten Steuerungssystems ist. Darin ist
Fcalc = -mv²rel/2d
Fig. 6 zeigt ein Blockschema der Steuerung, die einen dritten Algorithmus (III) zum Steuern der relativen Bewegung zwischen dem gefederten und dem ungefederten Element 12 bzw. 14 aus Fig. 1 enthält. Dieser Algorithmus ist gestaltet, um eine gute Isolierung zusätzlich zum Halten der relativen Verschiebungen xrel innerhalb der Verschiebungsgrenzen x+limit und x-limit bereitzustellen. Wie in den vorhergehenden Fällen beginnt der Steuerungsprozess durch Einstellen der Masse m und der Gleichgewichtsposition der relativen Verschiebung xrel auf die zeitlich gemittelten Werte, die von den Drucksensor- und Verschiebungsdaten erhalten werden. Die momentane relative Verschiebung xrel wird gemessen und die momentane relative Geschwindigkeit vrel und der momentane Abstand zu der zulässigen äußersten Verschiebung d in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel werden berechnet. Zusätzlich wird die momentane Systemkraft Fsys berechnet. Diese Daten werden von dem Algorithmus verwendet.
Wie in jedem der Algorithmen besteht der erste Schritt darin, zu bestimmen, ob der absolute Wert der relativen Geschwindigkeit vrel größer ist als eine vorausgewählte Geschwindigkeitstotzone vdb. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ermittelt, ob die relative Geschwindigkeit vrel, in die Richtung entgegengesetzt zu der Systemkraft Fsys wirkt. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
Fangelegt = -2 vrel km - Fsys,
wobei eine Zahl größer oder gleich Null und kleiner oder gleich 1,0 ist und k die Federkonstante des Systems ist. Diese angelegte Kraft Fangelegt ist im wesentlichen eine viskose Dämpfungskraft, die mit der relativen Geschwindigkeit vrel linear verläuft und die bezüglich der Systemkraft Fsys korrigiert ist. Um diese Kraft optimal anzulegen, sollte der Durchflussweg 41 für die Dämpferanordnung 26 so gestaltet sein, dass dessen viskoses Dämpfen größer ist als -2 vrel km, wie es vorstehend für den größten ausgelegten (oder erwarteten) Wert von m berechnet wurde. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
In diesem Fall ist die angelegte Kraft Fangelegt, wenn mit der Systemkraft Fsys kombiniert, gerade ausreichend, die relative Geschwindigkeit auf Null zu reduzieren, wobei nur die aktuelle relative Geschwindigkeit vrel, die zulässige äußerste Verschiebung d und die Systemkraft Fsys gegeben sind. Dann wird ermittelt, ob die so berechnete angelegte Kraft Fangelegt multipliziert mit der relativen Geschwindigkeit vrel kleiner als Null ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ermittelt, ob das Verhältnis von Fangelegt zu der maximalen, durch die Dämpferanordnung 26 in Richtung von Fangelegt erreichbaren Kraft Fmax kleiner als 1 ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich der maximalen Kraft Fmax gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die maximal angelegte Kraft Fmax anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ein elektrisches Signal an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft Fangelegt anzulegen. Sobald das elektrische Signal an die Energiequelle zur Umwandlung in das Steuersignal für den halb-aktiven Dämpfer übertragen worden ist, wiederholt sich der Steuerungsprozess.
Dieser dritte Algorithmus (III) ist ebenso eine Art der allgemeinen Beschreibung des vorstehend dargestellten Steuerungssystems. Darin ist
Fcalc = -mv²rel/2d wenn vrelFsys < 0, (Bedingung 1)
Fcalc = -2 vrel km wenn Bedingung 1 nicht erfüllt ist.
Fig. 7 zeigt ein Blockschema der Steuerung, die einen vierten Algorithmus (IV) zum Steuern der relativen Bewegung zwischen dem gefederten und dem ungefederten Element 12 bzw. 14 aus Fig. 1 enthält. Wie bei Algorithmus III ist der Algorithmus so gestaltet, dass er eine gute Isolierung zusätzlich zum Halten der relativen Verschiebungen xrel innerhalb der Verschiebungsgrenzen x+limit und x-limit bereitstellt. Der Steuerungsprozess beginnt wieder durch Einstellen der Masse m und der Gleichgewichtsposition der relativen Verschiebung xrel auf die zeitlich gemittelten Werte, die von den Drucksensor- und den Verschiebungsdaten erhalten werden. Die momentane relative Verschiebung xrel und die absolute Beschleunigung aabs des Elements 12 werden gemessen und die momentane relative Geschwindigkeit vrel, die momentane absolute Geschwindigkeit vabs und der momentane Abstand zu der zulässigen äußersten Verschiebung d in die Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel werden berechnet. Zusätzlich wird die momentane Systemkraft Fsys berechnet. Diese Daten werden von dem Algorithmus verwendet.
Es wird ermittelt, ob der absolute Wert der relativen Geschwindigkeit vrel größer ist als eine vorausgewählte Geschwindigkeitstotzone vdb. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", wird die folgende Ermittlung durchgeführt, und zwar, ob
v²rel > -4d vabs k/m,
wobei eine Zahl größer als Null ist, die aber vorzugsweise größer als 0,5 und kleiner als 3 ist. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
In diesem Fall ist die angelegte Kraft Fangelegt, wenn mit der Systemkraft Fsys kombiniert, gerade ausreichend, die relative Geschwindigkeit auf Null zu reduzieren, wobei nur die aktuelle relative Geschwindigkeit vrel, die zulässige äußerste Verschiebung d und die Systemkraft Fsys gegeben sind. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird ermittelt, ob die relative Geschwindigkeit vrel größer als Null ist. Ist die relative Geschwindigkeit vrel größer als Null, dann wird die folgende Ermittlung durchgeführt, und zwar, ob
vabs < -Fsys/2 km (b).
Ist die relative Geschwindigkeit vrel kleiner als Null, dann wird die folgende Ermittlung durchgeführt, und zwar, ob
vabs < -Fsys/2 km (b).
In beiden Fällen (b) oder (c), und zwar dann, wenn die Ermittlung "nein" ist, wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
Fangelegt = -2 vabs km - Fsys,
wobei dies die Kraft ist, die durch einen imaginären Dämpfer zwischen einem Trägheitsreferenzrahmen, der für den hier beschriebenen Zweck als vabs = 0 definiert werden kann, und dem gefederten Element 12 angelegt werden würde. In beiden Fällen (b) oder (c), und zwar dann, wenn die Ermittlung "ja" ist, wird die angelegte Kraft durch Gleichung (a) berechnet.
Es wird dann ermittelt, ob die so berechnete angelegte Kraft Fangelegt mal der relativen Geschwindigkeit vrel kleiner als Null ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ermittelt, ob das Verhältnis von Fangelegt zu der maximalen, von der Dämpferanordnung 26 in die Richtung von Fangelegt erreichbaren Kraft Fmax kleiner als 1 ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich der maximalen Kraft Fmax gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die maximale angelegte Kraft Fmax anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ein elektrisches Signal an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft Fangelegt anzulegen. Sobald das elektrische Signal an die Energiequelle für die Umwandlung in das Steuersignal für den halb-aktiven Dämpfer übertragen worden ist, wiederholt sich der Steuerungsprozess.
Der vierte Algorithmus (IV) ist ebenso eine Art der allgemeinen Beschreibung des vorstehend dargestellten Steuerungssystems. Darin ist
Fcalc = -mv²rel/2d wenn v²rel > -4d vabs k/m
oder [vrel > 0 und vabs < -Fsys/2 km],
oder [vrel > 0 und vabs < -Fsys/2 km],
(Bedingung 1)
Fcalc = -2 vabs km],
wenn Bedingung 1 nicht erfüllt ist.
Fig. 8 zeigt ein Blockschema der Steuerung, die einen fünften Algorithmus (V) zum Steuern der relativen Bewegung zwischen dem gefederten und dem ungefederten Element 12 bzw. 14 aus Fig. 1 enthält. Wie bei den Algorithmen III und IV ist dieser Algorithmus so gestaltet, dass er eine gute Isolierung zusätzlich zum Halten der relativen Verschiebungen xrel innerhalb der Verschiebungsgrenzen x+limit und x-limit bereitstellt. Die Masse m und die Gleichgewichtsposition der relativen Verschiebung xrel werden auf die zeitlich gemittelten Werte eingestellt, die durch die Drucksensor- und die Verschiebungssensordaten erhalten werden. Die momentane relative Verschiebung xrel und die absolute Beschleunigung aabs des Ele ments 12 werden gemessen und die momentane relative Geschwindigkeit vrel, die momentane absolute Geschwindigkeit vabs und der momentane Abstand zu der zulässigen äußersten Verschiebung d in die Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel werden berechnet. Zusätzlich wird die momentane Systemkraft Fsys berechnet. Diese Daten werden von dem Algorithmus verwendet.
Der Algorithmus ermittelt zuerst, ob der absolute Wert der relativen Geschwindigkeit vrel größer ist als eine vorausgewählte Geschwindigkeitstotzone vdb. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ermittelt, ob die relative Geschwindigkeit im Quadrat vrel² größer ist als -2areld. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
Fangelegt = -2 vabs km - Fsys (d),
wobei dies die Kraft beschreibt, die durch einen imaginären Dämpfer zwischen einem Trägheitsreferenzrahmen, der für den hier beschriebenen Zweck als vabs gleich Null definiert werden kann, und dem gefederten Element 12 angelegt werden würde, wobei eine Zahl größer als Null ist, die aber vorzugsweise größer als 0,5 und kleiner als 3 ist. Ergibt die Ermittlung "ja", dann werden die folgenden Ermittlungen durchgeführt, und zwar, ob
vrel > 0 (f).
Sind die Ermittlungen (e) und (f) beide mit "ja" zu beantworten, dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
und, ergibt die Ermittlung (e) "ja" und die Ermittlung (f) "nein", dann wird die angelegte Kraft anhand der folgenden Gleichung berechnet:
In jeder dieser Formeln wird die angelegte Kraft Fangelegt derart berechnet, dass sie, in Kombination mit der Systemkraft Fsys, gerade ausreicht, die relative Geschwindigkeit an der sich annähernden Grenze auf Null zu reduzieren, wobei die aktuelle relative Beschleunigung arel, die relative Geschwindigkeit vrel, die zulässige äußerste Verschiebung d und die Systemkraft Fsys gegeben sind. Ergeben die Ermittlungen (e) "nein" und (f) "ja", dann wird die folgende Ermittlung durchgeführt, und zwar, ob
vabs < -Fsys/2 km.
Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt durch Gleichung (g) berechnet, und ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt durch Gleichung (d) berechnet. Führen die Ermittlungen (e) und (f) beide zu "nein", dann wird die folgende Ermittlung durchgeführt, und zwar, ob
vabs < -Fsys/2 km.
Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt durch Gleichung (h) berechnet, und ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt durch Gleichung (d) berechnet. Dann wird ermittelt, ob die so berechnete angelegte Kraft Fangelegt mal der relativen Geschwindigkeit vrel kleiner als Null ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Null gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft mit dem Wert Null anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ermittelt, ob das Verhältnis von Fangelegt zu der maximalen, durch die Dämpferanordnung 26 in Richtung von Fangelegt erreichbaren Kraft Fmax kleiner als 1 ist. Ergibt die Ermittlung "nein", dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich der maximalen Kraft Fmax gesetzt und ein elektrisches Signal wird an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die maximale angelegte Kraft Fmax anzulegen. Ergibt die Ermittlung "ja", dann wird ein elektrisches Signal an die Energiequelle gesendet, um ein Steuersignal für die angelegte Kraft Fangelegt anzulegen. Sobald das elektrische Signal an die Energiequelle für die Umwandlung in das Steuersignal für den halb-aktiven Dämpfer übertragen worden ist, wiederholt sich der Steuerungsprozess.
Der fünfte Algorithmus (V) ist ebenso eine Art der allgemeinen Beschreibung des vorstehend dargestellten Steuerungssystems. Darin ist
wenn vrel > 0
und v²rel > -2areld
und [vabs < -Fsys/2 km oder
(Bedingung 1)
wenn vrel < 0
und v²rel > -2areld
und [vabs < -Fsys/2 km oder
und Bedingung 1 nicht erfüllt ist; (Bedingung 2)
Fcalc = -2 vabs km wenn die Bedingungen 1 und 2 nicht erfüllt sind.
Der Schutzbereich der in den Algorithmen I, II, III, IV und V beschriebenen Erfindung betrifft relative Verschiebungen xrel der Elemente 12 und 14 innerhalb der Verschiebungsgrenzen x+limit und x-limit, um auf diese Weise eine Isolierung bereitzustellen, während diese relativen Verschiebungen innerhalb der Grenzen gehalten werden. In einigen Fällen kann sich jedoch die relative Verschiebung xrel über die Grenzen x+limit und x-limit hinaus erstrecken. Erfolgen große Einträge an das tragende Element 14 und werden die Grenzen x+limit und x-limit kleiner als die mechanischen Anschläge 51 und 53 eingestellt oder sind die Stoßdämpfer 56 und 58 ausreichend verformbar, kann eine beträchtliche Bewegung der mechanischen Verbindung 50 über die Grenzen hinaus auftreten. Es wird darauf hingewiesen, dass unter diesen Umständen, zusätzlich zu der angelegten Kraft Fangelegt, die durch die Algorithmen I, II, III, IV und V berechnet wird, eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Maßnahmen zum Anlegen einer Kraft für relative Verschiebungen über die Grenzen hinaus einschließt. Die angelegte Kraft Fangelegt wird z. B. gleich Fmax gesetzt für xrel größer als x+limit oder kleiner als x-limit. Alternativ, wenn der absolute Wert der relativen Geschwindigkeit vrel größer ist als eine vorausgewählte Geschwindigkeitstotzone "vdb", und wenn xrel größer ist als x+limit oder kleiner als x-limit, dann wird die angelegte Kraft Fangelegt gleich Fmax gesetzt, wenn xrelvrel größer als Null ist, aber wird gleich Null gesetzt, wenn xrelvrel kleiner als Null ist. Es wird darauf hingewiesen, dass andere Möglichkeiten verwendet werden können, um die angelegte Kraft Fangelegt für relative Verschiebungen xrel außerhalb der Verschiebungsgrenzen x+limit und x-limit zu berechnen, und dass solche Möglichkeiten den Erfindungsgedanken nicht abändern.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Erfindung, wie sie in den Algorithmen I, II, III, IV und V beschrieben ist, in einem System eingeschlossen sein könnte, das zwei oder mehrere unabhängig gesteuerte Aufhängungsmechanismen 5 einschließt, wie etwa eine Kraftfahrzeugaufhängung, bei welcher die vier Aufhängungsmechanismen den Aufhängungsmechanismen an jeder der vier Räderstellungen entsprechen. In einem solchen System kann jede Stellung einzeln gesteuert werden und, zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Erfindung zum Isolieren und Steuern jeder der einzelnen Aufhängungen, könnte eine zentrale Steuerung die angelegte Kraft Fangelegt an jeder der Aufhängungsstellungen überlagern oder vorbelasten auf der Basis von kombinierten Einträgen von allen Aufhängungsmechanismen oder von anderen Einträgen. Die Tatsache, dass zusätzliche Informationen einer einzelnen Aufhängung über die Systemvariablen hinaus als eine Basis für eine Überlagerung oder ein Vorbelasten der angelegten Kraft verwendet werden können, ändert den Erfindungsgedanken nicht ab.

BEISPIELE

Es wird ein Computermodell verwendet, um die Verbesserung beim Steuern der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen aufzuzeigen, um die Anzahl der Fälle zu minimieren, in denen die Bewegung zulässige Grenzen überschreitet, während die Isolierung zwischen den Elementen maximiert wird, wobei die vorliegende Erfindung verwendet wird. Dieses Modell vergleicht die Leistungsfähigkeit eines Aufhängungssystems, das einen einstellbaren Dämpfer verwendet, der durch die Algorithmen der vorliegenden Erfindung gesteuert wird, mit der Leistungsfähigkeit eines Aufhängungssystems, das 1) einen passiven Dämpfer mit relativ hoher Dämpfung verwendet, der gestaltet ist, um die relative Bewegung zwischen den zwei Elementen zu begrenzen, und 2) den einstellbaren Dämpfer im "ausgeschalteten" Zustand verwendet. Der einstellbare Dämpfer im "ausgeschalteten" Zustand ist im wesentlichen ein relativ gering gedämpfter, passiver Dämpfer. Das modellierte System ist eine Sitzaufhängung mit einer gefederten Masse m gleich 95 kg. Die primäre Federanordnung 24 besitzt eine Federkonstante k = 5,86 kN/m, die eine Eigenfrequenz von 1,25 Hz für den Sitz zur Folge hat. Die Verschiebung aus der Gleichgewichtsposition xrel = 0 zu den positiven und negativen Verschiebungsgrenzen x+limit und x-limit des Aufhängungsmechanismus 5 beträgt +50 mm bzw. -50 mm. Die Endanschläge 51 und 53 werden als Gummibuchsen mit einer linearen Federkonstante von 900 kN/m modelliert. Der passive Dämpfer wird als ein linearer Dämpfer modelliert, der eine Kraft zwischen den Elementen 12 und 14 anlegt, die gleich 0,5 mal der kritischen Dämpfer-Parameter mal der relativen Geschwindigkeit (FEinfederung = 0,5(2Ökm)vrel} in der Einfederungsrichtung ist, und die gleich 0,67 mal der kritischen Dämpfungsparameter mal der relativen Geschwindigkeit {FAusfederung = 0,67(2Ökm)vrel} in der Ausfederungsrichtung ist. Die modellierte halb-aktive Dämpferanordnung 26 legt eine Kraft zwischen den Elementen 12 und 14 an, die gleich 0,15 mal die kritischen Dämpfungsparameter mal die relative Geschwindigkeit {Faus = 0,15(2Ökm)vrel} ist, wenn diese "ausgeschaltet" ist. Der Durchflussweg 41 ist eingestellt, um einem linearen Dämpfer zu entsprechen, der die zwischen den Elementen 12 und 14 angelegte Kraft auf 1 mal die kritischen Dämpfungsparameter mal die relative Geschwindigkeit begrenzt (Kraft = 2Ökm)vrel}. Die maximale Kraft Fmax, die zwischen den Elementen 12 und 14 durch die Dämpferanordnung 26 angelegt werden kann, beträgt Fmax = 450 N in sowohl der Einfederungs- als auch der Ausfederungsrichtung. Für den Algorithmus III wird z gleich 0,6 gesetzt und für die Algorithmen IV und V wird z gleich 1 gesetzt. Für die Algorithmen I und V wird die relative Beschleunigung arel gefiltert, wobei ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von 8 Hz verwendet wird. Die Gesamtansprechzeit des halb-aktiven Systems einschließlich der Steuerung 60, der Energiequelle 76 und der Dämpferanordnung 26 wird gleich 0,005 Sekunden gesetzt.
Um aufzuzeigen, dass der Algorithmus große Verschiebungen, in welchen xrel x+limit und x-limit überschreitet, vermeiden kann, zeigen Fig. 9 und 11 die relative Verschiebung xrel und die absolute Verschiebung xabs für einen Sitz 10, der auf einem Fahrzeugführerhaus 16 montiert ist, wobei ein 100 mm-Stufeneintrag an die Führerhausaufhängung angelegt wird. Die Aufhängung des Fahrzeugführerhauses ist so ausgebildet, dass sie eine Eigenfrequenz von 1,5 Hz besitzt und ein Dämpfungsverhältnis von 0,3, so dass der resultierende Verschiebungseintrag an die Basis 22 des Sitzes 10 in Fig. 13 gezeigt wird.
Um die Isolierung des Steueralgorithmus aufzuzeigen, zeigen Fig. 10 und 12 das Verschiebungsübertragungsverhältnis, welches die absolute Verschiebung xabs des gefederten Elements 12 geteilt durch die Verschiebung des ungefederten Elements 14 ist, als eine Funktion des Frequenzverhältnisses (Eingangsfrequenz geteilt durch Eigenfrequenz ω/ωn) für einen Eintrag im eingeschwungenen Zustand. Das Frequenzverhältnis wird verändert von 0,25 mal der Eigenfrequenz (0,31 Hz) bis zu 8 mal der Eigenfrequenz (10 Hz). Für Frequenzverhältnisse größer oder gleich 1 wird der Verschiebungseintrag für eine 2,35 kg m/s² Beschleunigung ausgewählt. Folglich ist der Verschiebungseintrag bei 1,25 Hz gleich ± 38 mm. Bei Frequenzverhältnissen kleiner 1 beträgt der Verschiebungseintrag ±40 mm.
Bezugnehmend auf Fig. 9 Zeigen die Kurven der relativen Verschiebung xrel und der absoluten Verschiebung xabs für den einstellbaren Dämpfer im "ausgeschalteten" Zustand Kurven einer Sitzaufhängung, die die Wegbeschränkungen der Aufhängung überschreitet. Die plötzlichen Richtungsänderungen sind dem Kontakt mit den Endanschlägen 51, 53 zuzuschreiben. Der "ausgeschaltete" einstellbare Dämpfer überschreitet die Wegbegrenzungen 3 mal bevor eine ausreichende Dämpfung vorliegt, um die Bewegung des Sitzes zwischen den Verschiebungsgrenzen zu steuern. Der gering gedämpfte passive Dämpfer ist nicht geeignet, um den hier modellierten großen Eintrag zu steuern. Tatsächlich kann der "ausgeschaltete" einstellbare Dämpfer die Verschiebung des Sitzes innerhalb der Verschiebungsgrenzen nur für Einträge aus Einschwingvorgängen des Typs steuern, der hier mit Amplituden kleiner 51 mm modelliert ist. Der hoch-gedämpfte passive Dämpfer zeigt eine gute Steuerung der Einträge aus Einschwingvorgängen, wobei die Aufhängungsverschiebung innerhalb der Verschiebungsgrenzen bleibt. Der hoch-gedämpfte passive Dämpfer kann die Verschiebung des Sitzes innerhalb der Verschiebungsgrenzen für Einträge aus Einschwingvorgängen des Typs steuern, der hier bis zu einer Amplitude von 121 mm modelliert ist. Der durch Algorithmus II gesteuerte einstellbare Dämpfer überschreitet gerade eben die Verschiebungsgrenze im Ausfederungsweg der relativen Verschiebung xrel. Mit den modellierten Parametern für den einstellbaren Dämpfer ist Algorithmus II in der Lage, den maximalen Eintrag für die Sitzaufhängung zu erhöhen, bevor die Wegbegrenzung für den Eintrag aus Einschwingvorgängen überschritten wird, die hier von 51 mm im "ausgeschalteten" Zustand bis zu 97 mm modelliert sind. Der durch Algorithmus I gesteuerte einstellbare Dämpfer wird innerhalb der zulässigen Verschiebungsgrenzen gut gesteuert. Einträge des Typs, die hier bis zu 155 mm modelliert sind, werden durch Algorithmus I gesteuert, wobei der einstellbare Dämpfer, der in diesem Beispiel modelliert ist, verwendet wird.
Fig. 10 zeigt die Isolierung der Dämpfer aus Fig. 9 in einem Verschiebungsübertragungsverhältnis-Diagramm. Je geringer das Übertragungsverhältnis, umso besser ist die durch die Aufhängung bereitgestellte Isolierung. Der hoch-gedämpfte passive Dämpfer stellt die beste Niedrigfrequenz-Isolierung bereit. Der hoch-gedämpfte passive Dämpfer hat jedoch eine schlechte Hochfrequenz-Isolierung. Der "ausgeschaltete" einstellbare Dämpfer besitzt eine nicht-akzeptable Isolierung bei der Eigenfrequenz der Aufhängung (Frequenzverhältnis gleich 1); der "ausgeschaltete" Dämpfer besitzt jedoch die beste Isolierung bei Frequenzverhältnissen über 4. Der durch entweder Algorithmus I oder II gesteuerte einstellbare Dämpfer zeigt im Vergleich zum "ausgeschalteten" einstellbaren Dämpfer eine bessere Isolierung bei der niedrigen Frequenz und zeigt eine bessere Isolierung bei den hohen Frequenzen im Vergleich zu dem hoch-gedämpften passiven Dämpfer.
Im Vergleich mit dem hoch-gedämpften passiven Dämpfer besitzt der durch Algorithmus I gesteuerte einstellbare Dämpfer sowohl eine bessere Steuerung der Aufhängungsverschiebung aufgrund von Einträgen aus Einschwingvorgängen als der hoch-gedämpfte passive Dämpfer, als auch eine beträchtlich verbesserte Hochfrequenz-Isolierung. Im Vergleich mit dem "ausgeschalteten" passiven Dämpfer besitzt der durch Algorithmus II gesteuerte einstellbare Dämpfer im wesentlichen die gleiche Hochfrequenz-Isolierung mit verbesserter Steuerung der relativen Verschiebung innerhalb der zulässigen Verschiebungsgrenzen.
In Fig. 11 werden die Kurven der relativen Verschiebung xrel und der absoluten Verschiebung xabs für den durch die Algorithmen III, IV und V gesteuerten einstellbaren Dämpfer, die Isolierungssteuerung mit Verschiebungssteuerung kombinieren, mit denen für den hochgedämpften passiven Dämpfer verglichen. Jeder der Algorithmen zeigt die Fähigkeit auf, die Bewegungen der absoluten Verschiebung xabs schneller zu reduzieren, wobei die Algorithmen IV und V die beste Leistung bereitstellen. Wie vorstehend beträgt der maximale Eintrag aus Einschwingvorgängen des hier modellierten Typs, den der hoch-gedämpfte passive Dämpfer steuern kann, ohne dass die relative Verschiebung die Verschiebungsgrenzen überschreitet, 121 mm. Mit den modellierten Parametern für den einstellbaren Dämpfer können die Algorithmen III und IV einen Eintrag aus Einschwingvorgängen bis zu 111 mm steuern, und Algorithmus V kann einen Eintrag aus Einschwingvorgängen des hier modellierten Typs von bis zu 155 mm steuern.
Fig. 12 zeigt die Isolierung der Dämpfer aus Fig. 11 in einem Verschiebungsübertragungsverhältnis-Diagramm. Der durch die Algorithmen IV und V gesteuerte einstellbare Dämpfer besitzt eine beträchtlich bessere Isolierung, wenn er mit dem passiven Dämpfer über den gesamten Frequenzbereich verglichen wird, wobei Algorithmus IV eine bessere Hochfrequenz-Isolierung als Algorithmus V aufweist. Der durch Algorithmus III gesteuerte einstellbare Dämpfer besitzt eine beträchtlich bessere Isolierung, wenn er mit dem hochgedämpften passiven Dämpfer bei allen Frequenzverhältnissen über 0,6 verglichen wird, und besitzt eine im wesentlichen gleiche Isolierung bei Frequenzverhältnissen unterhalb von 0,6. Im allgemeinen stellt der einstellbare Dämpfer mit den Algorithmen III, IV und V eine bessere Isolierung als der hoch-gedämpfte passive Dämpfer bereit, während er die Aufhängungsverschiebung aufgrund von Einträgen aus Einschwingvorgängen steuert.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der relativen Bewegung zwischen Elementen, die durch eine Verbindung beweglich miteinander verbunden sind, die eine Federanordnung einschließt, welche die Elemente in einer Gleichgewichtsposition halten soll, wobei wenigstens das erste der beiden Elemente extern erzeugten Bewegungseinträgen ausgesetzt ist und eine erste Kraft als Antwort darauf an das zweite Element übertragen soll; wobei die Elemente mit einer Einrichtung zum Anlegen einer zweiten gesteuerten Kraft dazwischen ausgestattet sind; wobei das Verfahren umfaßt:

(a) Messen der Verschiebung xrel des zweiten Elements relativ zum ersten Element, wobei xrel, in der Gleichgewichtsposition als Null definiert ist;

(b) Bestimmen der relativen Geschwindigkeit vrel zwischen dem ersten und zweiten Element;

(c) Berechnen einer Kraft Fangelegt, definiert durch:

Fangelegt = Fcalc - Fsys,

wobei Fcalc eine Kraft ist, die anhand der bekannten Position und der Bewegung der Elemente berechnet ist und ausreichend ist, um zu verhindern, daß die Relativbewegung der Elemente festgelegte Grenzen überschreitet, und

Fsys eine Nicht-Null-Summe der Kräfte ist, die zwischen dem ersten und zweiten Element wirken, die von der gesteuerten Kraft verschieden sind, die durch die zweite Krafteinrichtung angelegt wird,

mit der Maßgabe, daß

Fangelegt = 0, wenn die Kraft Fangelegt die gleiche Richtung wie die relative Geschwindigkeit vrel der Elemente wirkt, oder wenn vrel ≤ vdb, wobei vdb eine Geschwindigkeitstotzone (deadband) mit einem voreingestellten Wert größer oder gleich Null ist, und

Fangelegt = Fmax, wenn die Kraft Fangelegt in die Richtung entgegengesetzt zur relativen Geschwindigkeit vrel der Elemente wirkt, und größer als die maximale Kraft Fmax ist, die durch die zweite Krafteinrichtung in die Richtung von Fangelegt angelegt werden kann; und

(d) Anlegen der Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element;

wobei die Kraft, die vom ersten Element auf das zweite Element übertragen wird und die relative Verschiebung zwischen den Elementen gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl die relative Geschwindigkeit vrel als auch die relative Beschleunigung arel zwischen den Elementen berechnete Werte sind, und wobei

wenn vrel > 0

und v > -2areld, (Bedingung 1)

wenn vrel < 0

und v > -2areld, (Bedingung 2)

mit der Maßgabe, daß Fangelegt = g, wenn die Bedingungen 1 und 2 nicht erfüllt sind;

wobei m die wirksame Masse des zweiten Elements ist, und d der Abstand von der relativen Verschiebung zu dem zulässigen äußersten Verschiebungsgrenzwert x+limit oder x-limit in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei

Fcalc = -mv /2d

wobei:

m die wirksame Masse des zweiten Elements und

d der Abstand von der relativen Verschiebung zu dem zulässigen äußersten Verschiebungsgrenzwert x+limit oder x-limit in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei

Fcalc = -mv /2d wenn vrelFsys < 0, (Bedingung 1)

Fcalc = -2 vrel km wenn Bedingung 1 nicht erfüllt ist;

wobei:

m die wirksame Masse des zweiten Elements,

d der Abstand von der relativen Verschiebung zu dem zulässigen äußersten Verschiebungsgrenzwert x+limit oder x-limit in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel,

k die Federkonstante der Federanordnung bei der relativen Verschiebung xrel, und eine Zahl größer oder gleich 0 und kleiner oder gleich 1 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die absolute Beschleunigung des zweiten Elements gemessen wird und die relative Geschwindigkeit vrel der Elemente und die absolute Geschwindigkeit Vabs des zweiten Elements berechnete Werte sind; und wobei

Fcalc = -mv /2d wenn v > -4d vabs k/m

oder [vrel > 0 und vabs < -Fsys/2 km]

oder [vrel < 0 und vabs < -Fsys/2 km]}

(Bedingung 1)

Fcalc = -2 vabs km wenn Bedingung 1 nicht erfüllt ist;

wobei:

m die wirksame Masse des zweiten Elements,

k die Federkonstante der Federanordnung bei der relativen Verschiebung xrel,

d der Abstand von der relativen Verschiebung zu dem zulässigen äußersten Verschiebungsgrenzwert x+limit oder x-limit in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel, und eine Zahl größer als 0,5 und kleiner als 3 ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die absolute Beschleunigung des zweiten Elements gemessen wird und die relative Geschwindigkeit vrel der Elemente, die relative Beschleunigung arel der Elemente und die absolute Geschwindigkeit vabs des zweiten Elements berechnete Werte sind, und wobei:

wenn vrel > 0

und v > -2areld

und vabs < -Fsys/2 km] oder

(Bedingung 1)

wenn vrel < 0

und v > -2areld

und [vabs < -Fsys/2 km] oder

und Bedingung 1 nicht erfüllt ist; (Bedingung 2)

Fcalc = -2 vabs km wenn die Bedingungen 1 und 2 nicht erfüllt sind;

wobei:

m die wirksame Masse des zweiten Elements,

k die Federkonstante der Federanordnung bei der relativen Verschiebung xrel,

d der Abstand von der relativen Verschiebung zu dem zulässigen äußersten Verschiebungsgrenzwert x+limit oder x-limit in Richtung der relativen Geschwindigkeit vrel, und

eine Zahl größer als 0,5 und kleiner als 3 ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das in Schritt (a) weiter umfaßt das Messen der absoluten Beschleunigung der zwei Elemente und das Berechnen der relativen Beschleunigung arel daraus.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Fsys durch Fsys = -kx' - Cvrel abgeschätzt wird, wobei x' die relative Verschiebung der Elemente über eine Verschiebungstotzone mit einem Wert 0 oder größer ist, derart, daß x' = 0, wenn xrel ≤ xdb und x' = xrel - xdbsgn(xrel), wenn xrel > xdb, k die Federkonstante der Federanordnung bei der relativen Verschiebung xrel und C eine Konstante ist.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Anlegen einer zweiten gesteuerten Kraft ein halbaktiver Dämpfer ist, der ein Fluid enthält, welches auf ein Feld reagiert.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Element eine Fahrzeugkarosserie umfaßt und das zweite Element einen Motor, ein Zugmaschinenführerhaus oder einen Sitz umfaßt, die darin aufgehängt sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das zweite Element aus einem Sitz und einem darauf Sitzenden besteht, und wobei die Masse m den Anteil an der Gesamtmasse des Sitzes und des darauf Sitzenden darstellt, der durch die Verbindung gestützt wird, wenn der Sitz und der darauf Sitzende in Ruhe sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Element eine Achsanordnung ist und das zweite Element eine Fahrzeugkarosserie umfaßt, und wobei die Masse m als der Anteil der Gesamtmasse der Fahrzeugkarosserie genommen wird, der durch die Achsanordnung gestützt wird, wenn die Fahrzeugkarosserie in Ruhe ist.

13. Vorrichtung zur Steuerung der relativen Bewegung zwischen zwei Elementen, die durch eine Verbindung beweglich miteinander verbunden sind, die eine Federanordnung einschließt, welche die Elemente in einer Gleichgewichtsposition halten soll, wobei wenigstens das erste der beiden Elemente extern erzeugten Bewegungseinträgen ausgesetzt ist und eine erste Kraft als Antwort darauf an das zweite Element übertragen soll; wobei die Elemente äußerste Grenzwerte der zulässigen Verschiebung zwischen x+limit in einer positiv definierten Richtung und x-limit in einer negativ definierten Richtung haben; wobei die Vorrichtung umfaßt:

(A) einen einstellbaren Dämpfer, der zum Anlegen einer variablen Kraft Fangelegt zwischen dem ersten und zweiten Element in der Lage ist; und

(B) einen Regler, der angepaßt ist, ein Steuersignal zu dem Dämpfer als Antwort auf die Bedingung der zwei beweglich miteinander verbundenen Elemente zu senden, wobei das Steuersignal dem Wert von Fangelegt entspricht;

wobei Fangelegt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 bestimmt wird.