WO2016045891A1 - Gyroskopischer fahrzeugstabilisator - Google Patents

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actuator
torque
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Daniel Wolf
Detlef Baasch
Volker Wagner
Tobias Dittrich
Nils Mühl
Georges HALSDORF
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62DMOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D37/00Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements
    • B62D37/04Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements by means of movable masses
    • B62D37/06Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements by means of movable masses using gyroscopes

Definitions

  • the invention relates to a system for stabilizing a vehicle according to the preamble of claim 1.
  • An actuator is used here to detect body movements of the vehicle.
  • Signal processing unit evaluates a signal generated by the sensor and generates further signals with which actuators are controlled.
  • the actuators are active dampers and / or suspension springs.
  • the invention has for its object to stabilize a vehicle bypassing the known from the prior art solutions inherent disadvantages, that is to reduce movements of a vehicle body.
  • An inventive system for stabilizing a vehicle has at least one first actuator.
  • the system also has a rotatable about a gyroscope gyroscope.
  • the gyroscope can be rotated around the gyroscope axis by any angle of rotation, in particular by more than 360 °.
  • a drive such as an electric motor, is used to drive the gyroscope or to rotate the gyro about the gyroscope axis.
  • the system is designed to be installed in the vehicle or to be installed in the vehicle. Each component of the system can thus be fixed in the vehicle.
  • the gyroscope is pivotable about at least a first pivot axis. This means that the gyro can be rotated about the first pivot axis.
  • the first pivot axis is orthogonal to the gyro axis.
  • the first actuator is not part of the landing gear, but is instead configured to generate a first torque acting between the gyro and the vehicle, in particular between the gyro and the vehicle body.
  • the first torque acts in the direction of the first pivot axis, that is, the torque vector of the first torque extends along the first pivot axis. In particular, therefore, the first torque is directed parallel to the first pivot axis
  • the first torque thus causes a pivoting between the gyro and the vehicle or the vehicle body to the first
  • the pivoting about the first pivot axis opposes the gyro due to the gyroscopic effect a resistance. In this way, a stabilization of the vehicle can be achieved.
  • the system has a second actuator in a preferred development.
  • the second actuator is designed to generate a second torque acting between the gyro and the vehicle, in particular between the gyro and the vehicle body.
  • the gyro can be mounted pivotably about a second pivot axis in the vehicle.
  • the second torque acts in the direction of the second pivot axis.
  • the gyro axis and the second pivot axis are orthogonal to each other.
  • the second pivot axis is orthogonal to the first
  • the gyroscope is gimbaled.
  • the first gyroscope is gimbaled.
  • the gyro In a rest position, the gyro is preferably arranged so that the
  • the first actuator and the second actuator may be implemented separately.
  • first actuator and the second actuator into a structural unit.
  • the system has at least one sensor which is designed to detect pivoting movements of the vehicle or of the vehicle body about the first pivot axis and / or about the second pivot axis.
  • the senor preferably generates a first signal.
  • the system may accordingly have a signal processing unit which processes the first signal and generates a second signal in response to the first signal.
  • the expression of the second signal at any time thus depends on the expression of the first signal at the same time.
  • the temporal course of the expression of the second signal thus depends on the time profile of the expression of the first signal.
  • a signal is to be understood as meaning a variable physical quantity whose form of information is assigned. The information is thus coded in the signal.
  • the information coded in the first signal is
  • swivel angles and / or corresponding angular velocities can be coded in the first signal.
  • the second signal causes further development according to the first actuator to generate the first torque.
  • the first actuator is thus designed, the first
  • the information encoded in the second signal may correspondingly be the first torque to be generated or its amount.
  • Time off In particular, it depends on the time course of the first
  • the generation of the second torque by the second actuator is preferably analogous to the generation of the first torque by the first actuator.
  • the second actuator receives a third signal that the
  • Signal processing unit generated analogously to the second signal in response to the first signal.
  • a method according to the invention using the system described above with the signal processing unit provides for the stabilization of the vehicle to carry out the following steps:
  • the method further comprises the step of driving the gyro or rotating the gyro about the gyro axis.
  • the thus generated rotation of the gyro is a prerequisite for the occurrence of a gyroscopic effect.
  • FIG. 1 shows a stabilization system with a gyroscope
  • Fig. 2 shows a corresponding method.
  • a gyro 102 is arranged in a vehicle 104.
  • the gyro 102 is rotatable about a gyro axis perpendicular to the viewing plane of FIG.
  • the gyro can be pivoted about a first pivot axis 106 and a second pivot axis 108.
  • the first pivot axis 106 and the second pivot axis 108 are orthogonal to each other and extend in the image plane of FIG. 1. Both pivot axes 106, 108 are thus also orthogonal to the gyro axis.
  • a first actuator 1 10 serves to pivot the gyro 102 about the first pivot axis 106 relative to the vehicle 104.
  • a second actuator 1 12 is provided accordingly.
  • the first actuator 1 10 is connected via a first line 1 14, the second actuator 1 12 via a second line 1 16 to a control unit 1 18.
  • a third actuator 1 is connected via a first line 1 14, the second actuator 1 12 via a second line 1 16 to a control unit 1 18.
  • Line 120 connects a sensor 122 to the controller 1 18.
  • the sensor 122 is rigidly fixed in the vehicle 104. This enables the sensor 122 to detect movements of the vehicle 104. A signal in which the detected movements are coded is transmitted via the third line 120 from the
  • Sensor 122 passed to the control unit 1 18.
  • the control unit 1 In response to this signal, the control unit 1 generates 18 further signals, which reach the first actuator 110 via the first line 14 and the second actuator 112 via the second line 16. These signals carry information for controlling the two
  • FIG. 2 The operation of the system illustrated in FIG. 1 is illustrated in FIG. 2. On the detection 202 of a pivot movement of the vehicle 104 by the vehicle
  • Sensor 122 is the generating 204 of the third line 120 to the
  • Control unit 1 18 provided signal.
  • the control unit 118 initiates the generation 206 of the signals provided via the first line 14 and the second line 16 to the first actuator 110 and the second actuator 112.
  • the two actuators 110, 112 perform the step 208 of producing the stabilizing torques.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Stabilisierung eines Fahrzeugs (104); wobei das System mindestens einen ersten Aktuator (110) aufweist. Das System weist einen um eine Kreiselachse drehbaren Kreisel (102) auf; wobei der Kreisel (102) um mindestens eine erste Schwenkachse (106) verschwenkbar in dem Fahrzeug (104) gelagert werden kann; wobei die Kreiselachse und die erste Schwenkachse (106) orthogonal zueinander verlaufen; und wobei der erste Aktuator (110) ausgebildet ist, ein erstes, zwischen dem Kreisel (102) und dem Fahrzeug (104) wirkendes Drehmoment zu erzeugen; und wobei das erste Drehmoment in Richtung der ersten Schwenkachse (110) wirkt.

Description

Gyroskopischer Fahrzeugstabilisator
Die Erfindung betrifft ein System zur Stabilisierung eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 .
Derartige Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Aktuator wird hierbei verwendet, um Aufbaubewegungen des Fahrzeugs zu erfassen. Eine
Signalverarbeitungseinheit wertet ein von dem Sensor erzeugtes Signal aus und generiert weitere Signale, mit denen Aktoren angesteuert werden. Bei den Aktoren handelt es sich um aktive Dämpfer und/oder Federn des Fahrwerks.
Derartige Lösungen basieren auf Kräften, die zwischen einem Fahrzeugaufbau und den Rädern des Fahrzeugs wirken. Dies ist ungünstig, da die zu eliminierenden Aufbaubewegungen über die Räder in den Fahrzeugaufbau eingeleitet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu stabilisieren, das heißt Bewegungen eines Fahrzeugaufbaus zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch ein System nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein erfindungsgemäßes System zur Stabilisierung eines Fahrzeugs weist mindestens einen ersten Aktuator auf. Erfindungsgemäß weist das System darüber hinaus einen um eine Kreiselachse drehbaren Kreisel auf. Der Kreisel kann um die Kreiselachse um beliebige Drehwinkel, insbesondere um mehr als 360°, gedreht werden.
Vorzugsweise dient ein Antrieb, etwa ein Elektromotor, dazu, den Kreisel anzutreiben beziehungsweise den Kreisel um die Kreiselachse zu drehen.
Das System ist ausgebildet, in dem Fahrzeug verbaut zu werden beziehungsweise in das Fahrzeug eingebaut zu werden. Jeder Bestandteil des Systems kann also in dem Fahrzeug fixiert werden. Um die erfindungsgemäße Funktion des Systems zu ermöglichen, ist der Kreisel um mindestens eine erste Schwenkachse verschwenkbar. Dies bedeutet, dass der Kreisel um die erste Schwenkachse verdreht werden kann. Die erste Schwenkachse verläuft orthogonal zu der Kreiselachse.
Der erste Aktuator ist nicht Teil des Fahrwerks, sondern ist stattdessen ausgebildet, ein erstes, zwischen dem Kreisel und dem Fahrzeug, insbesondere zwischen dem Kreisel und dem Fahrzeugaufbau, wirkendes Drehmoment zu erzeugen. Dies bedeutet, dass das erste Drehmoment auf den Kreisel wirkt und an dem Fahrzeug beziehungsweise dem Fahrzeugaufbau abgestützt wird. Das erste Drehmoment wirkt dabei in Richtung der ersten Schwenkachse, das heißt der Drehmomentvektor des ersten Drehmoments verläuft entlang der ersten Schwenkachse. Insbesondere ist also das erste Drehmoment parallel zu der ersten Schwenkachse gerichtet ist
Das erste Drehmoment bewirkt somit eine Verschwenkung zwischen dem Kreisel und dem Fahrzeug beziehungsweise dem Fahrzeugaufbau um die erste
Schwenkachse.
Der Verschwenkung um die erste Schwenkachse setzt der Kreisel aufgrund des gyroskopischen Effekts einen Widerstand entgegen. Auf diese Weise lässt sich eine Stabilisierung des Fahrzeugs erreichen. Insbesondere ist es möglich, eine
Verkippung des Fahrzeugs um die erste Schwenkachse zu verhindern
beziehungsweise zu vermindern.
Um Verkippungen des Fahrzeugs vollständig zu verhindern, weist das System in einer bevorzugten Weiterbildung einen zweiten Aktuator auf. Wie der erste Aktuator ist der zweite Aktuator ausgebildet, ein zweites, zwischen dem Kreisel und dem Fahrzeug, insbesondere zwischen dem Kreisel und dem Fahrzeugaufbau, wirkendes Drehmoment zu erzeugen. Weiterhin kann der Kreisel um eine zweite Schwenkachse verschwenkbar in dem Fahrzeug gelagert werden. Das zweite Drehmoment wirkt in Richtung der zweiten Schwenkachse. Die Kreiselachse und die zweite Schwenkachse verlaufen orthogonal zueinander. Weiterhin verläuft die zweite Schwenkachse orthogonal zu der ersten
Schwenkachse.
Vorzugsweise ist der Kreisel kardanisch aufgehängt. Dabei sind die erste
Schwenkachse und die zweite Schwenkachse bezüglich des Kreisels ortsfest.
In einer Ruhestellung ist der Kreisel vorzugsweise so angeordnet, dass die
Kreiselachse senkrecht beziehungsweise orthogonal zu einer Fahrbahnoberfläche, auf der sich das Fahrzeug befindet, verläuft. Je nach Wirkung des ersten
Drehmoments und/oder des zweiten Drehmoments kann die Kreiselachse aber temporär von dieser Position abweichen.
Der erste Aktuator und der zweite Aktuator können getrennt ausgeführt sein.
Alternativ ist es möglich, den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator zu einer baulichen Einheit zusammenzufassen.
In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung weist das System mindestens einen Sensor auf, der ausgebildet ist, Schwenkbewegungen des Fahrzeugs beziehungsweise des Fahrzeugaufbaus um die erste Schwenkachse und/oder um die zweite Schwenkachse zu erkennen.
In Abhängigkeit von den Schwenkbewegungen des Fahrzeugs beziehungsweise des Fahrzeugaufbaus generiert der Sensor bevorzugt ein erstes Signal. Das System kann entsprechend eine Signalverarbeitungseinheit aufweisen, die das erste Signal verarbeitet und in Abhängigkeit von dem ersten Signal ein zweites Signal generiert. Die Ausprägung des zweiten Signals zu einem beliebigen Zeitpunkt hängt also von der Ausprägung des ersten Signals zu demselben Zeitpunkt ab. Insbesondere hängt damit der zeitliche Verlauf der Ausprägung des zweiten Signals von dem zeitlichen Verlauf der Ausprägung des ersten Signals ab. Unter einem Signal ist eine veränderliche physikalische Größe zu verstehen, deren Ausprägung eine Information zugeordnet ist. Die Information ist also in dem Signal kodiert.
Bei der Information, die in dem ersten Signal kodiert ist, handelt es sich
vorzugsweise um mindestens eine Kenngröße, welche die Schwenkbewegungen des Fahrzeugs beschreibt. So können etwa Schwenkwinkel und/oder entsprechende Winkelgeschwindigkeiten in dem ersten Signal kodiert sein.
Das zweite Signal veranlasst weiterbildungsgemäß den ersten Aktuator, das erste Drehmoment zu erzeugen. Der erste Aktuator ist also ausgebildet, das erste
Drehmoment in Abhängigkeit von dem zweiten Signal zu erzeugen. Bei der in dem zweiten Signal kodierten Information kann es sich entsprechend um das zu erzeugende erste Drehmoment beziehungsweise um dessen Betrag handeln.
Das von dem ersten Aktuator generierte erste Drehmoment zu einem beliebigen Zeitpunkt hängt also von der Ausprägung des zweiten Signals zu demselben
Zeitpunkt ab. Insbesondere hängt damit der zeitliche Verlauf des ersten
Drehmoments von dem zeitlichen Verlauf der Ausprägung des zweiten Signals ab.
Die Erzeugung des zweiten Drehmoments durch den zweiten Aktuator erfolgt vorzugsweise analog zu der Erzeugung des ersten Drehmoments durch den ersten Aktuator. Dabei erhält der zweite Aktuator ein drittes Signal, das die
Signalverarbeitungseinheit analog zu dem zweiten Signal in Abhängigkeit von dem ersten Signal generiert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung des oben beschriebenen mit der Signalverarbeitungseinheit weitergebildeten Systems sieht zur Stabilisierung des Fahrzeugs die Ausführung der folgenden Schritte vor:
Erkennen einer Schwenkbewegung des Fahrzeugs um die erste Schwenkachse und/oder um die zweite Schwenkachse mittels des Sensors; Generieren des ersten Signals in Abhängigkeit von der Schwenkbewegung des Fahrzeugs durch den Sensor;
Generieren des zweiten Signals und/oder des dritten Signals in Abhängigkeit von dem ersten Signal durch die Signalverarbeitungseinheit; und
Erzeugen des ersten Drehmoments in Abhängigkeit von dem zweiten Signal durch den ersten Aktuator, und/oder Erzeugen des zweiten Drehmoments in Abhängigkeit von dem dritten Signal durch den zweiten Aktuator.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren darüber hinaus den Schritt Antreiben des Kreisels beziehungsweise Drehen des Kreisels um die Kreiselachse. Die so erzeugte Drehung des Kreisels ist Voraussetzung für das Auftreten eines gyroskopischen Effekts.
Die einzelnen Verfahrensschritte werden bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Darüber hinaus können die Verfahrensschritte, sofern dies technisch möglich ist, in jeder anderen Reihenfolge ausgeführt werden.
Die Figuren stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Im Einzelnen zeigt
Fig. 1 ein Stabilisierungssystem mit einem Kreisel; und
Fig. 2 ein entsprechendes Verfahren.
Gemäß Fig. 1 ist ein Kreisel 102 in einem Fahrzeug 104 angeordnet. Der Kreisel 102 ist um eine senkrecht zur Betrachtungsebene von Fig. 2 stehende Kreiselachse drehbar. Darüber hinaus kann der Kreisel um eine erste Schwenkachse 106 und eine zweite Schwenkachse 108 verschwenkt werden. Die erste Schwenkachse 106 und die zweite Schwenkachse 108 stehen orthogonal zueinander und verlaufen in der Bildebene von Fig. 1 . Beide Schwenkachsen 106, 108 stehen damit auch orthogonal zu der Kreiselachse.
Ein erster Aktuator 1 10 dient dazu, den Kreisel 102 um die erste Schwenkachse 106 gegenüber dem Fahrzeug 104 zu verschwenken. Um den Kreisel 102 um die zweite Schwenkachse 108 gegenüber dem Fahrzeug 104 zu verschwenken, ist entsprechend ein zweiter Aktuator 1 12 vorgesehen.
Der erste Aktuator 1 10 ist über eine erste Leitung 1 14, der zweite Aktuator 1 12 über eine zweite Leitung 1 16 mit einem Steuergerät 1 18 verbunden. Eine dritte
Leitung 120 verbindet einen Sensor 122 mit dem Steuergerät 1 18.
Der Sensor 122 ist starr in dem Fahrzeug 104 fixiert. Dies versetzt den Sensor 122 in die Lage, Bewegungen des Fahrzeugs 104 zu erkennen. Ein Signal, in dem die erkannten Bewegungen kodiert sind, wird über die dritte Leitung 120 von dem
Sensor 122 zu dem Steuergerät 1 18 geleitet. In Abhängigkeit von diesem Signal generiert das Steuergerät 1 18 weitere Signale, die über die erste Leitung 1 14 zu dem ersten Aktuator 1 10 und über die zweite Leitung 1 16 zu dem zweiten Aktuator 1 12 gelangen. Diese Signale tragen Information zur Ansteuerung der beiden
Aktuatoren 1 10, 1 12.
Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Systems veranschaulicht Fig. 2. Auf das Erkennen 202 einer Schwenkbewegung des Fahrzeugs 104 durch den
Sensor 122 erfolgt das Generieren 204 des über die dritte Leitung 120 dem
Steuergerät 1 18 zur Verfügung gestellten Signals. Das Steuergerät 1 18 veranlasst das Generieren 206 der über die erste Leitung 1 14 und die zweite Leitung 1 16 dem ersten Aktuator 1 10 und dem zweiten Aktuator 1 12 bereitgestellten Signale. Die beiden Aktuatoren 1 10, 1 12 schließlich führen den Schritt des Erzeugens 208 der stabilisierenden Drehmomente aus.
Bezugszeichen
102 Kreisel
104 Fahrzeug
106 erste Schwenkachse
108 zweite Schwenkachse
1 10 erster Aktuator
1 12 zweiter Aktuator
1 14 erste Leitung
1 16 zweite Leitung
1 18 Steuergerät
120 dritte Leitung
122 Sensor
202 Erkennen einer Schwenkbewegung
204 Generieren eines Signals
206 Generieren eines Signals
208 Erzeugen eines Drehmoments

Claims

Patentansprüche
1 . System zur Stabilisierung eines Fahrzeugs(104); wobei
das System mindestens einen ersten Aktuator (1 10) aufweist; gekennzeichnet durch einen um eine Kreiselachse drehbaren Kreisel (102); wobei
der Kreisel (102) um mindestens eine erste Schwenkachse (106) verschwenkbar in dem Fahrzeug (104) gelagert werden kann; wobei
die Kreiselachse und die erste Schwenkachse (106) orthogonal zueinander verlaufen; wobei
der erste Aktuator (1 10) ausgebildet ist, ein erstes, zwischen dem Kreisel (102) und dem Fahrzeug (104) wirkendes Drehmoment zu erzeugen; und wobei
das erste Drehmoment in Richtung der ersten Schwenkachse (1 10) wirkt.
2. System nach dem vorhergehenden Anspruch; gekennzeichnet durch
einen zweiten Aktuator (1 12); wobei
der Kreisel (102) um eine zweite Schwenkachse (108) verschwenkbar in dem Fahrzeug (104) gelagert werden kann; wobei
die Kreiselachse und die zweite Schwenkachse (108) orthogonal zueinander verlaufen; wobei
die erste Schwenkachse (106) und die zweite Schwenkachse (108) orthogonal zueinander verlaufen; und wobei
der zweite Aktuator (1 12) ausgebildet ist, ein zweites, zwischen dem Kreisel (102) und dem Fahrzeug (104) wirkendes Drehmoment zu erzeugen; und wobei das zweite Drehmoment in Richtung der zweiten Schwenkachse (108) wirkt.
3. System nach dem vorhergehenden Anspruch; gekennzeichnet durch
mindestens einen Sensor (122); wobei
der Sensor (122) ausgebildet ist, Schwenkbewegungen des Fahrzeugs (104) um die erste Schwenkachse (106) und/oder um die zweite Schwenkachse (108) zu erkennen.
4. System nach dem vorhergehenden Anspruch; gekennzeichnet durch
mindestens eine Signalverarbeitungseinheit (1 18); wobei der Sensor (122) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Schwenkbewegungen des Fahrzeugs (104) ein erstes Signal zu generieren; wobei
die Signalverarbeitungseinheit (1 18) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem ersten Signal ein zweites Signal zu generieren; und wobei
der erste Aktuator (1 10) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem zweiten Signal das erste Drehmoment zu erzeugen.
5. System nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (1 18) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem ersten Signal ein drittes Signal zu generieren; und wobei
der zweite Aktuator (1 12) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem dritten Signal das zweite Drehmoment zu erzeugen.
6. Verfahren unter Verwendung des Systems nach Anspruch 4 oder 5 zur
Stabilisierung des Fahrzeugs (104), mit folgenden Schritten:
- Erkennen einer Schwenkbewegung des Fahrzeugs (104) um die erste
Schwenkachse (106) und/oder um die zweite Schwenkachse (108) mittels des Sensors (122);
- Generieren des ersten Signals in Abhängigkeit von der Schwenkbewegung des Fahrzeugs (104) durch den Sensor (122);
- Generieren des zweiten Signals und/oder des dritten Signals in Abhängigkeit von dem ersten Signal durch die Signalverarbeitungseinheit (1 18); und
- Erzeugen des ersten Drehmoments in Abhängigkeit von dem zweiten Signal durch den ersten Aktuator (1 10), und/oder Erzeugen des zweiten Drehmoments in
Abhängigkeit von dem dritten Signal durch den zweiten Aktuator (1 12).
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