DE69703567T2

DE69703567T2 - Kontinuierlich kraftgeregelter, semiaktiver Stossdämpfer

Info

Publication number: DE69703567T2
Application number: DE69703567T
Authority: DE
Inventors: Philippe Boichot; Regis Kirat
Original assignee: GEC Alsthom Transport SA
Current assignee: Alstom Transport SA
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2017-07-04
Also published as: HU9701149D0; PT816141E; PL320928A1; BR9703877A; HUP9701149A3; ES2152071T3; PL185061B1; JPH1061712A; CA2209477A1; EP0816141B1; EP0816141A1; HUP9701149A2; ATE197695T1; DE69703567D1; KR100437852B1; US5862894A; FR2750752B1; TW339396B; GR3035350T3; FR2750752A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Steuerschaltungen für Stoßdämpfer, die einen direkten Steuerkreis aufweisen, der ein inverses Modell des Stoßdämpfers umfaßt, und betrifft insbesondere einen semiaktiven Stoßdämpfer mit kontinuierlicher Kraftregelung.
Es sind bislang diverse Techniken zur Steuerung von Kraftfahrzeugstoßdämpfern bekannt.
So nutzt z. B. DE-A 42 02 091 eine Messung der Relativbewegung zwischen Chassis und Rädern des Fahrzeugs zur Regelung der Ventile eines Stoßdämpfers.
In WO-A- 91/064 39 wird die bei der Verschiebung des Kolbens eines Stoßdämpfers dissipierte Energie anhand einer Messung der Verschiebungsgeschwindigkeit des Kolbens geregelt.
Die französische Patentanmeldung FR 94 08 337 der Anmelderin, auch veröffentlicht unter der Nummer EP-A-691 226, stellt das allgemeine Prinzip der Kraftregelung durch ein inverses Modell mit einem offenen Regelkreisschema auf.
Gemäß den wesentlichen Merkmalen des in dieser französischen Patentanmeldung FR 94 08 337 beschriebenen durch eine Steuerschaltung gesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers umfaßt die Steuerschaltung einen direkten Steuerkreis, der aus einem inversen Modell des Stoßdämpfers aufgebaut ist.
Ferner bestimmt das inverse Modell des Stoßdämpfers einen Wert eines theoretischen elektrischen Steuerstroms ith eines Entspannungsventils ausgehend von einer Messung eines Wertes einer relativen Geschwindigkeit zwischen zwei Enden des Stoßdämpfers und einem Kraft-Sollwert Fc.
Ein Kraft-Rückwirkungskreis fügt zu dem theoretischen elektrischen Steuerstrom ith einen kleineren Korrekturterm δi vom proportionalen Typ hinzu, um einen Kraft-Fehler &epsi;F zwischen dem Kraft-Sollwert Fc und dem Meßwert der effektiv ausgeübten Kraft F zu berücksichtigen.
Das inverse Modell des Stoßdämpfers ist definiert durch die Ausdrücke
in der Entspannungsphase ( > 0) und
in der Kompressionsphase ( < 0),
wobei K&sub1;&sub2; und K&sub2;&sub3; positive Konstanten sind, die von der Größe des Zylinders, den physikalischen Eigenschaften des Öls sowie der Durchsatzverstärkung der hydraulischen Ventile abhängen.
Das so definierte inverse Modell des Stoßdämpfers setzt die Inkompressibilität des Fluids voraus.
Diese Hypothese ist allerdings nicht für alle Anwendungen gültig.
Ein Ziel der Erfindung ist auch, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Kraftregelung eines semiaktiven Stoßdämpfers anzugeben, die das Problem der Inkompressibilität des Fluids zu lösen erlaubt.
Erfindungsgemäß ist der semiaktive Stoßdämpfer gesteuert durch eine Steuerschaltung nach Anspruch 1.
Der Steuerkreis wird als direkt bezeichnet, weil er nicht die Verwendung von Kraftaufnehmern erfordert.
Ein Vorteil des so gekennzeichneten erfindungsgemäßen semiaktiven Stoßdämpfers ist, daß er die Kompressibilität des Fluids durch die Berechnung von äquivalenten Geschwindigkeiten e berücksichtigt.
Der erfindungsgemäße semiaktive Stoßdämpfer erfüllt auch wenigstens eines der folgenden Merkmale:
- das inverse Modell des Stoßdämpfers bestimmt einen theoretischen Wert eines elektrischen Steuerstroms ith eines Kompressionsventils und eines Entspannungsventils oder eines einzigen, beide Funktionen wahrnehmenden Ventils ausgehend von einer Messung eines Wertes einer relativen Geschwindigkeit zwischen zwei Enden des Stoßdämpfers und einem Kraft-Sollwert Fc, wobei Äqualentgeschwindigkeiten e von der relativen Geschwindigkeit abgeleitet werden,
- das inverse Modell weist auf:
einen ersten Block zum Abschätzen des Druckverlustes ΔPCL der offenen Klappe, d. h. der Entspannungsklappe bei der Entspannung und der Kompressionsklappe bei der Kompression,
einen zweiten Block zum Abschätzen des Druckverlustes ΔPV des aktiven Ventils,
einen dritten Block zum Berechnen der idealen Steuerstromstärke ith des Ventils,
einen vierten Block zum Berechnen eines Korrekturterms δ zu der Geschwindigkeit ,
einen Summierer,
- der erste Block gewährleistet die Berechnung des Druckverlustes ΔPCL an der offenen Klappe,
- die Ausgangsgröße ΔPCL des ersten Blocks wird anhand eines in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen und ith des ersten Blocks (15A) tabellierten Gitters von Kenngrößen interpoliert,
- der zweite Block gewährleistet die Abschätzung des Druckverlustes ΔPV, der von dem aktiven Steuerventil zu realisieren ist, das zwischen der Druckkammer und dem Akkumulator angeordnet ist,
- der Ausgang ΔPV des Blocks wird in Funktion der zwei Eingänge Fc und ΔPCL des Blocks nach folgenden Beziehungen berechnet:
ΔPV = (Fc - ΔPCL S2)/S1 bei Entspannung (Ventil 10)
ΔPV = (-Fc - ΔPCL S1)/S2 bei Kompression (Ventil 9),
- die gemessene Geschwindigkeitsinformation wird durch den Ausgang δ eines Blocks korrigiert, um am Ausgang eines Summierers eine Äquivalentgeschwindigkeit e = + δ zu bilden,
- der vierte Block berechnet den Korrekturterm δ der Geschwindigkeit,
- der Korrekturterm δ der Geschwindigkeit ist gegeben durch den Ausdruck:
- der dritte Block gewährleistet die Berechnung der idealen Steuerstromstärke ith als Funktion der zwei Eingänge ΔPV und e des dritten Blocks,
- die Ventile sind vorab durch die Identifizierung einer nichtlinearen Verstärkung K(i) charakterisiert worden, die den an dem Ventil gemessenen Druckverlust ΔPvgemessen und die gemessene Äquivalentgeschwindigkeit egemessen, die anhand von Messungen des Druckverlustes ΔPVgemessen und der Geschwindigkeit konstruiert ist, und die Stromstärke i gemäß der folgenden Beziehung verknüpft:
- die Stromstärke ith wird bestimmt, die für die berechneten Größen am Ausgang des zweiten Blocks ΔPv und am Ausgang des Summierers e die Identität
erfüllt, wobei ith z. B. bestimmt wird durch Minimieren der Fehlerfunktion &epsi;K(i) auf der Menge der zulässigen Stromstärken, d. h. ein solches ith, daß
gilt, wobei:
K(i) die anhand der Messungen identifizierte nichtlineare Verstärkung ist,
ΔPV der am Ausgang des zweiten Blocks zu realisierende berechnete Druckverlust ist,
e die am Ausgang des Summierers berechnete Äquivalentgeschwingkeit ist,
- ein sekundärer Rückkopplungskreis führt in den theoretischen elektrischen Hauptsteuerstrom ith einen kleinen Korrekturterm δi vom proportionalen Typ ein, um einen Kraftfehler &epsi;F zwischen dem Sollwert Fc und einem Meßwert einer effektiv ausgeübten Kraft F zu berücksichtigen.
Ein anderer Vorteil der kontinuierlichen Kraftsteuervorrichtung eines erfindungsgemäßen semiaktiven Stoßdämpfers ist, daß eine dissipative Sollkraft geregelt wird, d. h. es wird ständig eine unendliche Zahl von Kraft- Relativgeschwindigkeit-Regeln realisiert, im Gegensatz zu herkömmlichen gesteuerten Stoßdämpfern, deren Steuersysteme es lediglich erlauben, eine begrenzte Zahl von Kennlinien zu gewährleisten.
Ein anderer Vorteil der kontinuierlichen Kraftsteuervorrichtung eines erfindungsgemäßen semiaktiven Stopßdämpfers ist, daß sie im Falle eines hydraulischen Stoßdämpfers die Verwendung von preiswerten Standardhydraulikkomponenten erlaubt.
Ein anderer Vorteil der kontinuierlichen Kraftsteuervorrichtung eines erfindungsgemäßen semiaktiven Stoßdämpfers ist, daß sie eine befriedigende Funktion des Systems mit auf einen einzigen Geschwindigkeitsaufnehmer reduzierter Instrumentenausstattung erlaubt.
Zum Beispiel wird im Falle einer Verschlechterung des Kraftaufnehmers der Korrekturterm δi neutralisiert und auf 0 gesetzt, der Hauptbeitrag ith zum Steuerstrom, der auf dem Kraftsollwert Fc beruht, und die Messung der Belastung des Stoßdämpfers allein gewährleisten eine ausreichende Genauigkeit.
Ein anderer Vorteil der kontinuierlichen Kraftsteuervorrichtung eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers ist, daß in dissipativen Phasen der Bewegung eine in Abhängigkeit von der Kraft formulierte Steuerregel befolgt werden kann.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Lektüre der Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung der kontinuierlichen Kraftsteuervorrichtung eines semiaktiven Stoßdämpfers in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
- Fig. 1 ein Prinzipschema des gesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers wie in der französischen Patentanmeldung FR 94 08 337 der Anmelderin beschrieben;
- Fig. 2 ein Prinzipschema der Steuerschaltung des gesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers wie in der französischen Patentanmeldung FR 94 08 337 der Anmelderin beschrieben;
- Fig. 3 ein Prinzipschema des erfindungsgemäßen gesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers;
- Fig. 4 ein Prinzipschema der Steuerschaltung des kontinuierlich kraftgesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschema des gesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers wie in der französischen Patentanmeldung FR 94 08 337 der Anmelderin beschrieben.
Der gesteuerte semiaktive Stoßdämpfer gemäß der Erfindung umfaßt einen Körper 1, in dem ein mit einer Stange 3 versehener massiver Kolben 2 gleitet, wobei das Ganze einen Zylinder 14 bildet.
Der Kolben 2 begrenzt eine erste Kammer 4, als Kompressionskammer bezeichnet, und eine zweite Kammer 5, als Entspannungskammer bezeichnet.
Der Körper 1 ist mit einem Fluid 6, z. B. Hydrauliköl, gefüllt.
Der semiaktive Stoßdämpfer umfaßt ferner eine erste Rückschlagklappe 7, als Kompressionsklappe bezeichnet, und eine zweite Rückschlagklappe 8, als Entspannungsklappe bezeichnet.
Ein erstes Hydraulikventil 9, als Kompressionsventil bezeichnet, und ein zweites Hydraulikventil 10, als Entspannungsventil bezeichnet, sind elektrisch gesteuert.
Der semiaktive Stoßdämpfer umfaßt ferner einen Akkumulator 11, der bei der Montage des semiaktiven Stoßdämpfers gering vorgespannt ist und durch eine Kammer gebildet ist.
Ein solcher z. B. ölpneumatischer Akkumulator bildet ein festes Volumen, das ein unter Druck stehendes inertes Gas und Hydrauliköl enthält, auf das das Gas seinen Druck überträgt.
Ein solcher ölpneumatischer Akkumulator 11 bildet ein festes Volumen, das ein unter Druck stehendes inertes Gas und Hydrauliköl enthält, auf das das Gas seinen Druck überträgt.
Die zwei Fluide sind im allgemeinen durch eine Membran oder Blase physikalisch getrennt.
Die Funktion dieses Akkumulators besteht einerseits darin, das Ölvolumen, das dem Volumen der Stange entspricht, aufzunehmen, wenn der Stoßdämpfer vollständig komprimiert ist, und andererseits einen Minimaldruck in dem Hydraulikkreis zu gewährleisten.
Es ist wichtig, zu beachten, daß der Betrieb des erfindungsgemäßen semiaktiven Stoßdämpfers keine externe Hydraulikleistungsquelle vom Typ hydraulische Maschine oder Hochdruckakkumulator erfordert.
Die Kompressionsklappe 7 und das Entspannungsventil 10 sind parallel montiert und zwischen der Entspannungskammer 5 und der Kammer des Akkumulators 11 angeordnet.
Die Entspannungsklappe 8 und das Kompressionsventil 9 sind parallel montiert und zwischen der Kompressionskammer 4 und der Kammer des Akkumulators 11 angeordnet.
Schließlich umfaßt der semiaktive Stoßdämpfer einen Kraftaufnehmer 12 und einen Relativgeschwindigkeitsaufnehmer 13.
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschema der Steuerung des gesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers wie in der französischen Patentanmeldung FR 94 08 337 der Anmelderin beschrieben.
Die in dieser Fig. 2 verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind im folgenden angegeben:
Fc: Sollkraft,
F: effektive Kraft,
Fm: Messung der effektiven Kraft F durch den Aufnehmer,
&epsi;F: Kraftfehler, &epsi;F = Fc - Fm,
: Relativgeschwindigkeit zwischen den zwei Enden des Stoßdämpfers,
i: elektrischer Steuerstrom der Ventile,
ith: durch das inverse Modell festgelegter theoretischer Steuerstrom, der an die Hydraulikventile anzulegen ist, um die Kraft Fc zu erhalten,
δi: zusätzliche Korrektur zu i = ith + δi, um den Kraftfehler &epsi;F zu berücksichtigen.
Der hydraulische Betrieb dieses gesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben.
Man unterscheidet zwei Phasen des hydraulischen Betriebs dieses gesteuerten semiaktiven Stoßdämpfers:
- eine erste sogenannte Kompressionsphase, symbolisiert durch den Pfeil C in Fig. 1, und
- eine sogenannte Entspannungsphase, symbolisiert durch den Pfeil D in Fig. 1.
Bei der Kompressionsphase dringt der Kolben 2 in den Körper 1 des Zylinders ein und bei der Entspannungsphase tritt der Kolben 2 aus dem Körper 1 des Zylinders aus.
In der sogenannten Kompressionsphase wird das in der Kompressionskammer 4 enthaltene Fluid 6 komprimiert. Die Entspannungs-Rückschlagklappe 8 ist blockiert, was das Fluid dazu zwingt, durch das Kompressionsventil 9 zu strömen.
Die Kompressions-Rückschlagklappe 7 ermöglicht es dem Fluid 6, das Entspannungsventil 10 kurzzuschließen und die Entspannungskammer 5 frei zu füllen.
Die Steuerung des Kompressionsventils 9 erlaubt es, das Druckniveau in der Kompressionskammer 4 zu steuern und somit die bei der Kompression ausgeübte Gegenkraft zu steuern.
In der sogenannten Entspannungsphase ist die Funktion der Organe umgekehrt.
Das Entspannungsventil 10 steuert den Durchgang des Fluids 6 von der Entspannungskammer 5 zur Kammer des Akkumulators 11, was es erlaubt, die Entspannungskraft zu modulieren.
Die Entspannungsklappe 8 ist aktiv und läßt den Durchgang des Fluids 6 von der Entspannungskammer 5 zur Kammer des Akkumulators 11 frei.
Kompressions- und Entspannungsventil 9 bzw. 10 werden vorzugsweise elektrisch gesteuert, um die Dämpfungskraft, die immer der Geschwindigkeit entgegengesetzt ist, zu modulieren.
Daraus resultiert, daß die Dämpfung ein dissipatives System bleibt.
Die Modulation der ausgeübten Kraft ermöglicht es, diese Kraft auf eine Sollkraft Fc einzuregeln, die von einem (nicht dargestellten) Rechner erzeugt wird.
Das Grundproblem besteht darin, den Steuerstrom i zu bestimmen, der an das Kompressionsventil 9 bzw. Entspannungsventil 10 angelegt werden muß, um die Sollkraft Fc zu realisieren.
Die Nutzung der Beziehungen, die das Gleichgewicht der Volumendurchsätze jeder Kammer des Stoßdämpfers bei konstanter Geschwindigkeit für die Kompressions- und die Entspannungsphase angeben, hat es erlaubt, eine einfache Beziehung zwischen dem von einem inversen Modell 15 des Stoßdämpfers gelieferten Strom ith, der momentanen Relativgeschwindigkeit und der Dämpfungskraft anzugeben.
Diese Beziehung ist z. B. in der Entspannungsphase durch die folgende Formel gegeben:
wobei
F die ausgeübte Dämpfungskraft ist,
ρ die Dichte des Öls ist,
S&sub1; der dem Druck ausgesetzte Querschnitt des Kolbens auf der Seite ohne Stange ist,
S&sub2; der dem Druck ausgesetzte Querschnitt des Kolbens auf der Seite mit der Stange ist,
St der Querschnitt der Stange ist,
die Relativgeschwindigkeit ist,
Gi die Druckverstärkung des Steuerventils ist,
i der Steuerstrom ist,
Cd der Durchsatzkoeffizient der Entspannungs- Rückschlagklappe ist,
A&sub3;&sub1; der geometrische Durchgangsquerschnitt der Entspannungs-Rückschlagklappe ist,
ΔP&sub3;&sub1; der Druckverlust zwischen dem Akkumulator und der unter Unterdruck gesetzten Kammer ist,
P&sub3; der Druck im Akkumulator und
Pe der Atmosphärendruck ist.
Die Nutzung dieses Stoßdämpfermodells in dem Sinne, daß in Abhängigkeit von der gewünschten Kraft Fc und der gemessenen Geschwindigkeit der an die Steuerorgange anzulegende Strom ith gesucht wird, läuft auf eine Nutzung eines inversen Modells 15 des Stoßdämpfers hinaus.
Aufgrund der Vereinfachungen bei der Etablierung der Dämpfungsregel und damit bei dem inversen Modell 15 der Dämpfung wird ein Korrekturterm δi vom proportionalen Typ über einen Kraft-Rückkoppelkreis 16 eingeführt. Dieser Rückkoppelkreis 16 ermöglicht durch die Messung Fm der ausgeübten Kraft F mit Hilfe des Kraftaufnehmers 12, das Fehlersignal &epsi;F zwischen der Sollkraft Fc und der gemessenen Kraft Fm zu bilden.
Dieses Fehlersignal &epsi;F wird an ein Korrekturglied 17 angelegt, das die zusätzliche Korrektur δi für den Steuerstrom i der Ventile 9, 10 liefert.
Der Wert der Relativgeschwindigkeit wird in das inverse Modell 15 des Stoßdämpfers über einen Geschwindigkeits- Rückkoppelkreis 18 eingeführt.
Der Geschwindigkeits-Rückkoppelkreis 18 schließt den Geschwindigkeitsaufnehmer 13 ein.
Der Wert des theoretischen Steuerstroms ith wird durch das inverse Modell 15 des Stoßdämpfers bestimmt.
Dieser theoretische Steuerstrom ith wird an die hydraulischen Ventile angelegt, um die Kraft Fc über einen direkten Steuerkreis 19 zu erzielen. Der direkte Steuerkreis 19 beinhaltet das inverse Model 15 des Stoßdämpfers, das z. B. definiert ist durch die Ausdrücke
in der Entspannungsphase ( > 0) und
in der Kompressionsphase ( < 0),
wobei K&sub1;&sub2; und K&sub2;&sub3; positive Konstanten sind, die von der Größe des Kolbens, den physikalischen Eigenschaften des Öls sowie der Durchsatzverstärkung der hydraulischen Ventile abhängen.
Dieser semiaktive Stoßdämpfer ist anwendbar als sekundäre Queraufhängung eines Schienenfahrzeugs für den Fahrgasttransport.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft einen semiaktiven Stoßdämpfer mit kontinuierlicher Kraftsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des Prinzipschemas der Steuerschaltung des erfindungsgemäßen semiaktiven Stoßdämpfers mit kontinuierlicher Kraftsteuerung.
Das in Fig. 4 dargestellte Prinzipschema vervollständigt somit das Prinzipschema des in der französischen Patentanmeldung FR 94 08 337 der Anmelderin beschriebenen semiaktiven Stoßdämpfers.
Die den Fig. 2 und 4 gemeinsamen Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen.
Das Korrekturglied 17 und der Kraftaufnehmer 12 kommen in den Fig. 3 und 4 vor, sind aber nur optional und werden daher in der Praxis nicht eingesetzt.
Ein herkömmlicher Stoßdämpfer erzeugt eine dissipative hydraulische Kraft Fv in Abhängigkeit von seiner Belastungsgeschwindigkeit ohne Möglichkeit einer externen Regelung.
Bei dem gesteuerten Stoßdämpfer besteht die Grundidee darin, diese Kausalität umzukehren, nämlich in Kenntnis der Geschwindigkeit und der Sollkraft Fc den Regelparameter (Steuerstromstärke ith des Ventils) zu bestimmen, mit dem Fv = Fc erreicht werden kann.
Ausgehend von dem Verständnis des physikalischen Verhaltens der Vorrichtung ist somit ein Modell des Systems implementiert worden, das es erlaubt, die Geschwindigkeit , die Sollkraft Fc und die Steuerstromstärke ith zu verknüpfen, und dann ist ein inverses Modell entwickelt worden.
Anstatt mit der Geschwindigkeit selber zu arbeiten, sind von der Geschwindigkeit Äquivalentgeschwindigkeiten e abgeleitet worden, um dieses Steuerschema auf den vorliegenden Fall eines Systems mit einem komprimierbaren Fluid auszudehnen.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft das Schema der Steuerung mit offenem Regelkreis.
Die herkömmlichen, von einem Fehlersignal (&epsi;Fm = Fv - Fc) entwickelten herkömmlichen Regeltechniken sind für unsere Anwendung nicht effizient und erfordern die Messung der erzeugten Kraft Fv im Hauptkreis.
Ein Schema mit offenem Regelkreis ist entwickelt worden, das es erlaubt, die Steuerstromstärke ith ohne eine Messung der erzeugten Kraft direkt als Funktion der gewünschten Kraft Fc und der Geschwindigkeit zu bestimmen.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft die Korrektur der Belastungsgeschwindigkeit ausgehend von einer Abschätzung der Druckdynamik und führt den Begriff der äquivalenten Geschwindigkeit ein.
Die Kompressibilität des Fluids führt zu hysteretischen Kraft-Geschwindigkeitskennlinien Fv = fct( , i), die für die Anwendung des für ein inkompressibles Fluid formulierten Prinzips des inversen Modells ungeeignet sind.
Die Geschwindigkeitsinformation ist in Form einer äquivalenten Geschwindigkeit e korrigiert worden, um eine eindeutige Beschreibung der Kennlinien Fv = fct( e, i) zu haben, die es erlaubt, die Idee des inversen Modells zu nutzen.
Die Kompressibilität des Fluids wirkt sich bei den Volumen- Kontinuitätsgleichungen des Fluids der Kompressionskammer 4 und der Entspannungskammer 5 in Form einer mit der Ableitung des Drucks verknüpften Kompressibilitätsrate aus.
Die Geschwindigkeit ist deshalb durch einen zur Ableitung des Drucks der Kammer unter Spannung proportionalen Term korrigiert worden, um zu einer Formulierung analog der unter der Voraussetzung eines inkompressiblen Fluids erhaltenen zu gelangen.
Wenn man die Druckschwankung am Akkumulator vernachlässigt, ist der Arbeitsdruck der Kammer unter Spannung im wesentlichen gleich dem gewollten Druckverlust an der aktiven Durchgangsöffnung des Steuerventils ΔPv. Dies führt zu dem Ausdruck
wobei e die als Ersatz für abgeschätzte Äquivalentgeschwindigkeit ist.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft die Erzeugung eines Phasenvorsprungs für den Sollwert des Ventils.
Die Funktion sign betrifft die Belastungsphase, der Koeffizient r( ) ist in Abhängigkeit von der relativen Belastungsgeschwindigkeit moduliert.
Ein positiver Wert berücksichtigt die theoretische Anpassung, die mit der Berücksichtigung der Kompressibilität des Fluids verknüpft ist.
Ein negativer Wert gibt der äquivalenten Geschwindigkeit einen Phasenvorsprung, was es erlaubt, die Schließgeschwindigkeit des Ventils auf niedrige Geschwindigkeiten zu begrenzen, und somit jegliche hydraulische Blockierung verhindert.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft die Erzeugung der Sollkraft.
Ausgehend von einer Steuerregel U, ausgehend z. B. von der Theorie der optimalen Steuerung, wird die Sollkraft auf den dissipativen Bereich begrenzt, der durch niedrige (maximale Ventilöffnung) und hohe (minimale Ventilöffnung) physikalische Grenzeigenschaften des Stoßdämpfers vorgegeben ist.
Die erhaltene dissipative Steuerkraft, die einer semiaktiven Strategie entspricht, ist mit Usa bezeichnet.
Da die natürlichen Charakteristika des Systems bei gegebener Ventilöffnung quadratisch sind, wird für niedrige Geschwindigkeiten (Geschwindigkeitsschwellwert Vo) der Sollwert in Form einer quadratischen Beziehung (Cv ) erzeugt, um die Unbestimmtheit der Stärke des Steuerstroms des Ventils bei Nullgeschwindigkeit aufzuheben:
Fc = (1 - q)Cν + q Usa, q = min( /Vo,1).
Eine bevorzugte Ausgestaltung des hydraulischen Schemas des erfindungsgemäßen semiaktiven Stoßdämpfers ist in Fig. 3 dargestellt.
In Fig. 3 ist P1 der Druck in der Kammer 5, P2 der Druck in der Kammer 4 und P3 der Druck im Akkumulator 11.
CLd bezeichnet die Entspannungsklappe und CLc die Kompressionsklappe, die in Fig. 1 mit 8 bzw. 7 bezeichnet sind.
Vc und Vd bezeichnen die Durchgangsöffnungen eines Ventils 20, z. B. vom proportionalen Typ 4/2 (vergleiche. Fig. 3) oder die Durchgangsöffnungen von zwei 2/2-Ventilen (siehe Ventile 9 und 10 aus Fig. 1).
Ein Vorteil dieses erfindungsgemäßen Schemas ist die Möglichkeit der Anwendung eines einzigen Ventils mit einer parallelen Steuerung der zwei Durchgangsquerschnitte Vd und Vc wie in Fig. 3 dargestellt.
Das Funktionsprinzip wird nachfolgend behandelt.
In der Entspannungsphase (ausfahrender Kolben) schließt die Entspannungsrückschlagklappe CLd die inaktive Ventilöffnung Vc kurz und erlaubt es, die Kammer 2 frei zu füllen. Die Klappe CLc ist geschlossen. Die Steuerung des Durchgangsquerschnitts der aktiven Öffnung des Ventils Vd erlaubt es, den Druck in der Kammer 1 und damit die bei der Entspannung durch den Stoßdämpfer ausgeübte Kraft Fv zu steuern.
Die Arbeitsweise bei Kompression ist symmetrisch.
Die von Stoßdämpfern erzeugte Kraft kann nach der Formel
zerlegt werden.
Nur der dissipative hydraulische Anteil Fv ist von Interesse.
Die Berechnung in der Entspannungsphase wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 3 als Beispiel beschrieben.
Der Druckverlust an der offenen Klappe CLd wird in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Stromstärke des Ventils nach einer tabellierten Charakteristik berechnet. Es handelt sich um einen Korrekturterm. Die Steuerstromstärke erlaubt es, den Einfluß des Öffnungsgrades der Öffnung Vc auf die Durchsatzregel der Klappe zu berücksichtigen.
ΔPCLd = P3 - P2 = Gcld( , ith)
Der gewollte Druckverlust an der Öffnung des aktiven Ventils Vd wird ausgehend vom Ausdruck für Fc und ΔPCL berechnet:
ΔPv = P1 - P3 = Fc-ΔPclS2)/S1
ΔPV wird numerisch abgeleitet und dann mit der geschwindigkeitsabhängigen Verstärkung r( ) multipliziert, um die äquivalente Arbeitsgeschwindigkeit zu bestimmen:
Die Steuerstromstärke wird berechnet, um den Betriebspunkt
ΔPV = fct(ith, e)
zu gewährleisten.
Diese Charakteristik ist zuvor in Form einer tabellierten nichtlinearen Verstärkung K(ith) identifiziert worden, derart, daß:
ΔPV = K(ith) e e)
Das Prinzip des inversen Models beruht darin, ith so festzulegen, daß
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf den direkten Steuerkreis 19 und betrifft insbesondere das inverse Modell 15 des Stoßdämpfers.
Das in Fig. 4 dargestellte Element 15 gewährleistet die Gesamtfunktion dieses inversen Modells.
Dieses inverse Modell 15 des Stoßdämpfers erlaubt die Bestimmung der idealen Steuerstromstärke ith in Abhängigkeit von der Sollkraft Fc und der gemessenen Geschwindigkeit . Es umfaßt verschiedene Blöcke, nämlich:
- einen ersten Block 15A, der die Abschätzung des Druckverlustes ΔPCL der offenen Klappe betrifft,
- einen zweiten Block 15B, der die Abschätzung des Druckverlusts ΔPV des aktiven Ventils betrifft,
- einen dritten Block 15C, der die Berechnung der idealen Steuerstromstärke ith des Ventils betrifft,
- einen vierten Block 15D, der die Berechnung des Korrekturterms δ für die Geschwindigkeit betrifft,
- einen Summierer 15E.
Das interne Schema des Blocks 15 beruht auf einer physikalischen Interpretation des Systems. Es zeigt die verschiedenen abgeschätzten physikalischen Größen, nämlich:
- den abgeschätzten Druckverlust ΔPCL der offenen Klappe:
in der Entspannungsphase ist dieser abgeschätzte Druckverlust ΔPCL eine Abschätzung von P3 - P2 für die Entspannungsklappe 8,
in der Kompressionsphase ist dieser abgeschätzte Druckverlust ΔPCL eine Abschätzung von P3 - P1 für die Kompressionsklappe 7,
- die Abschätzung des am aktiven Steuerventil zwischen der Druckkammer und dem Akkumulator zu realisierenden Druckverlustes ΔPV,
in der Entspannungsphase ist dieser Druckverlust APV eine Abschätzung von P1 - P3, zu realisieren für das Ventil 10,
in der Kompressionsphase ist dieser Druckverlust ΔPV eine Abschätzung von P2 - P3, zu realisieren für das Ventil 9,
- die ausgehend von der gemessenen Geschwindigkeit und einem Geschwindigkeitskorrekturterm δ berechnete äquivalente Geschwindigkeit e = + δ .
Die nachfolgende Beschreibung betrifft die detaillierten Funktionen der Blöcke, die das inverse Modell 15 des Stoßdämpfers bilden.
Der Block 15A gewährleistet die Berechnung des Druckverlustes ΔPCL an der offenen Klappe, nämlich der Klappe 8 bei Entspannung und der Klappe 7 bei Kompression.
Die Ausgangsgröße ΔPCL des Blocks 15A wird anhand eines Gitters von tabellierten Kenngrößen in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen und ith des Blocks 15A interpoliert.
Der Block 15B gewährleistet die Abschätzung des durch das zwischen der Druckkammer und dem Akkumulator angeordnete aktive Steuerventil zu realisierenden Druckverlustes ΔPV. Die Ausgangsgröße ΔPV des Blocks 15B wird in Abhängigkeit von den zwei Eingangsgrößen Vc und APCL des Blocks berechnet:
ΔPV = (Fc - ΔPCL S2)/S1 bei Entspannung (Ventil 10)
ΔPV = (-Fc - QPCL S1)/S2 bei Kompression (Ventil 9).
Um die Kompressibilität des Fluids zu berücksichtigen, wird die gemessene Geschwindigkeitsinformation durch die Ausgangsgröße δ des Blocks 15D korrigiert, um am Ausgang des Summierers 15E eine äquivalente Geschwindigkeit e = + δ zu bilden
Der Block 15D berechnet den Geschwindigkeitskorrekturterm δ anhand
somit wird e zu:
wobei
&epsi; ( ) = -1, wenn > 0 (Entspannung), und
= 1, wenn < 0 (Kompression),
r( ) die in Abhängigkeit von variable Verstärkung und
dΔPv/dt die zeitliche Ableitung von ΔPv ist.
Der Block 15C gewährleistet die Berechnung der idealen Steuerstromstärke ith als Funktion der zwei Eingangsgrößen ΔPV und e des Blocks 15C.
Die Durchgangsquerschnitte der Öffnungen Vc und Vd der Ventile 9 bzw. 10 sind zuvor durch die Identifizierung von nichtlinearen Verstärkungen K(i) charakterisiert worden, die den an der betreffenden Öffnung gemessenen Druckverlust ΔPVgemessen, die gemessene Äqualentgeschwindigkeit egemessen, die ausgehend von Messungen von ΔPVgemessen und konstruiert wird, und der Stromstärke i in der Form:
verknüpft .
Im Block 15C wird diese Charakterisierung ausgenutzt, indem die Stromstärke ith bestimmt wird, die
erfüllt, wobei:
K(i) die anhand der Messungen identifizierte nichtlineare Verstärkung ist,
ΔPV der am Ausgang des Blocks 15B berechnete zu realisierende Druckverlust ist,
e die am Ausgang des Summierers 15E berechnete Äqualentgeschwindigkeit ist.
Die vorhergehende nichtlineare Gleichung mit der Unbekannten ith wird als Minimierungsproblem umformuliert.
ith wird berechnet als diejenige Stromstärke, die die Fehlerfunktion sK(i) über alle zulässigen Funktionen
minimiert.

Claims

1. Semiaktiver Stoßdämpfer mit einer Entspannungsklappe (7) und einer Kompressionsklappe (8), der durch eine Steuerschaltung gesteuert ist, welche einen direkten Hauptsteuerkreis (19) aufweist, der aus einem inversen Modell des Stoßdämpfers aufgebaut ist, das auf physikalischen Größen basiert und angepaßt ist, um einen theoretischen Wert eines elektrischen Stroms (ith) eines Kompressionsventils (9) und eines Entspannungsventils (10) des Stoßdämpfers oder eines einzigen, beide Funktionen wahrnehmenden Ventils (20) ausgehend von einer Messung eines Wertes einer relativen Geschwindigkeit ( ) zwischen zwei Enden des Stoßdämpfers und einem Kraft-Sollwert (Fc) zu berechnen, dadurch gekennzeichnet, daß das inverse Modell (15) aufweist:

einen Block (15B) zum Abschätzen des Druckverlustes (ΔPV) des aktiven Ventils (9, 10),

einen Block (15C) zum Berechnen der idealen Steuerstromstärke (ith) des aktiven Ventils (9, 10),

einen Block (15D) zum Berechnen eines Korrekturterms (δ ) zu der Geschwindigkeit ( ),

einen Summierer (15E) zum Berechnen der Summe zwischen der Geschwindigkeit ( ) und dem Korrekturterm (δ ) zur Gewinnung eines Äquivalentgeschwindigkeitswertes ( e),

wobei die ideale Steuerstromstärke (ith) ausgehend von dem Druckverlust (ΔPV) des aktiven Ventils und der Äquivalentgeschwindigkeit ( e) gewonnen wird.

2. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner einen Block (15A) zum Berechnen des Druckverlustes (ΔPCL) an der jeweils offenen Klappe, der Entspannungsklappe (8) und der Kompressionsklappe (7), aufweist.

3. Stoßdämpfer nach Anspruch 2, bei dem die Ausgangsgröße (ΔPCL) des Blocks (15A) zum Berechnen des Druckverlustes an der offenen Klappe anhand eines in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen ( ) und (ith) des ersten Blocks (15A) tabellierten Gitters von Kenngrößen interpoliert wird.

4. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, bei dem der Block (15B) zum Abschätzen des Druckverlustes (ΔPV) des aktiven Ventils die Abschätzung des Druckverlustes (ΔPV) gewährleistet, der von dem aktiven Steuerventil zu realisieren ist, das zwischen der Druckkammer und dem Akkumulator angeordnet ist.

5. Stoßdämpfer nach Anspruch 4, bei dem der Ausgang (ΔPV) des Blocks (15B) zum Abschätzen des Druckverlustes des aktiven Ventils in Funktion der zwei Eingänge (Fc) und ΔPCL des Blocks nach folgenden Beziehungen berechnet wird:

APV = (Fc - ΔPCL S2)/S1 bei Entspannung (Ventil 10)

ΔPV = (-Fc - ΔPCL S1)/S2 bei Kompression (Ventil 9).

6. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, bei dem der Korrekturtterm (δ ) der Geschwindigkeit gegeben ist durch den Ausdruck:

7. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (9, 10) vorab durch die Identifizierung einer nichtlinearen Verstärkung K(i) charakterisiert worden sind, der den gemessenen Druckverlust (ΔPV) des Ventils und die Äquivalentgeschwindigkeit ( e), die anhand von Messungen des Druckverlustes (ΔPV), der Geschwindigkeit ( ) und der Stromstärke (i) konstruiert ist, gemäß der folgenden Beziehung verknüpft:

8. Stoßdämpfer nach Anspruch 7, bei dem die Steuerstromstärke (ith) unter Minimierung einer Fehlerfunktion &epsi;K(i) auf der Menge der zulässigen Stromstärken festgelegt ist, d. h. derart, daß

K(i) die anhand von Messungen identifizierte nichtlineare Verstärkung ist,

ΔPV der zu realisierende Druckverlust ist, berechnet am Ausgang des Blocks (15B) zur Abschätzung des Druckverlustes des aktiven Ventils,

die berechnete Äquivalentgeschwindigkeit am Ausgang des Summierers (15E) ist.

9. Stoßdämpfer nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein sekundärer Kraft-Rückwirkungskreis (16) zu dem theoretischen elektrischen Haupt-Steuerstrom (ith) einen kleineren Korrekturterm (δi) vom proportionalen Typ hinzufügt, um einen Kraft-Fehler (&epsi;F) zwischen dem Kraft-Sollwert (Fc) und einem Meßwert einer effektiv ausgeübten Kraft (F) zu berücksichtigen.

10. Stoßdämpfer nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Sollwert gegeben ist durch den Ausdruck

Fc (1 - q) Cν + q Usa, q = min( /Vo,1),

wobei

- Usa die einer hohen Geschwindigkeit entsprechende Dissipationskraft bezeichnet,

- Vo einen Schwellwert der Geschwindigkeit bezeichnet, unterhalb von dem die Geschwindigkeit gering ist, und

- Cv ein quadratischer Term ist, der dazu bestimmt ist, die Unbestimmtheit der Steuerstromstärke bei Geschwindigkeit Null zu beseitigen.