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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen eines Rades eines Fahrzeugs.
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Ein Rad eines Fahrzeugs wird bei Fahrten über eine unebene Straße im Bereich seiner Eigenfrequenz zu Schwingungen angeregt, was erhöhte Radlastschwankungen zur Folge hat. Die dadurch entstehende Verminderung der Kraftübertragung des Reifens führt zu einer Verschlechterung der Haftung des Reifens auf der Straße und somit der Fahrsicherheit. Ein im Fahrzeug vorhandenes Dämpfungssystem vermindert die Schwingungen des Rades. Dabei können bei passiven Systemen die Radschwingungen nur über eine Erhöhung der Dämpfung im Fahrwerksdämpfer verringert werden. Dies führt allerdings gleichzeitig zu einer Verschlechterung des Fahrkomforts. Bei semiaktiven und aktiven Systemen besteht die Möglichkeit die Schwingungen über einen im Stand der Technik bekannten sogenannten Groundhook-Algorithmus zu reduzieren ohne den Komfort zu stark zu beeinträchtigen.
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Zur Implementierung des Groundhook-Algorithmus wird zunächst eine Geschwindigkeit vgnd ermittelt. Daraus wird mit einem Groundhook-Faktor bgnd eine Sollkraft Fgnd = bgnd·vgnd berechnet, die durch einen Aktuator eingestellt werden soll. Es gibt beim Groundhook-Algorithmus zwei bekannte Methoden die Geschwindigkeit vgnd zu ermitteln. Bei einer ersten Methode, die als relativer Groundhook bezeichnet wird, bezeichnet vgnd die Geschwindigkeit zwischen Reifen und Straße. Der Vorteil dieser Implementierung liegt darin, dass die Radlastschwankungen gezielt minimiert werden, da diese proportional zum Abstand zwischen Reifen und Straße sind. Nachteilig ist allerdings die sehr aufwändige. Ermittlung der Geschwindigkeit vgnd zwischen Reifen und Straße. Bei einer zweiten Methode, die als absoluter Groundhook bezeichnet wird, bezeichnet vgnd die Absolutgeschwindigkeit des Rades in z-Richtung. Nachteilig ist bei diesem Ansatz allerdings, dass die Absolutgeschwingikeit des Rades auch Fahrbahnanregungen enthalten kann, die gar keine Radlastschwankungen verursachen. Dies tritt auf, wenn sich das Rad synchron zur Fahrbahn bewegt, was insbesondere bei niederfrequenten Anregungen häufig passiert. Ein zweiter Nachteil ist, dass die absolute Radgeschwindigkeit, die über die Beschleunigungssensoren am Aufbau ermittelt wird, zur Berechnung herangezogen werden muss. Diese kann nicht direkt gemessen werden und ist deswegen eine fehlerbehaftete Schätzgröße.
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Die Sollkraft Fgnd kann bei aktiven Fahrwerken direkt durch den Aktuator bereitgestellt werden. Bei semiaktiven Fahrwerken wird unter Zuhilfenahme eines bekannten Dämpferkennfelds aus der Sollkraft eine Sollgröße für eine Ventilstellung des Dämpfers berechnet.
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Ein positiver Sekundäreffekt des Groundhook-Algorithmus ist, dass die passive Grunddämpfung weiter reduziert werden kann, was den Fahrkomfort steigert. Die sonst bei zu geringer Dämpfung erhöhten Radschwingungen werden durch den Groundhook-Algorithmus vermindert.
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Die
DE 101 26 933 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung oder Steuerung der Dämpferkraft verstellbarer Dämpfer in Fahrzeugen mit aktiven oder semiaktiven Dämpfersystemen, wobei die Regelung oder Steuerung in Abhängigkeit von der Dämpfergeschwindigkeit erfolgt und die Dämpfergeschwindigkeitssignale mittels Abstandssensoren und Differenzbildung der Abstandssensorensignale über eine festgelegte Zeitdifferenz ermittelt werden. In diesem Zusammenhang wird die Filterung des Abstandssignals durch einen Tiefpassfilter und einen Hochpassfilter offenbart.
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Die gattungsbildende
DE 10 2007 040 599 A1 zeigt ein Verfahren zum Reduzieren von Schwingungen eines Rades eines Kraftfahrzeugs, bei dem aus einem Sensorsignal eine gegenüber einem Aufbau vertikale Geschwindigkeit des Rades ermittelt wird und das Sensorsignal der Geschwindigkeit des Rades von einem Filter gefiltert wird und mit dem gefilterten Signal eine Kraft ermittelt wird, die auf das Rad übertragen wird und der Schwingung entgegenwirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwingungen des Rades zu reduzieren ohne den Komfort zu stark zu beeinträchtigen.
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Dafür schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren von Schwingungen eines Rades eines Kraftfahrzeugs vor, bei dem aus einem Sensorsignal eine gegenüber einem Aufbau vertikale Geschwindigkeit des Rades ermittelt wird und das Sensorsignal der Geschwindigkeit des Rades von einem ersten Filter und einem zweiten Filter gefiltert wird und mit dem gefilterten Signal und einem Kennfeld eine Kraft ermittelt wird, die auf das Rad übertragen wird und der Schwingung entgegenwirkt, wobei der erste Filter und der zweite Filter einen Phasennulldurchgang im Bereich einer Eigenfrequenz des Rades aufweisen und das Kennfeld in einem Bereich, in dem die vertikale Geschwindigkeit des Rades Null ist, eine Totzone aufweist.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als erster und als zweiter Filter jeweils Filter verwendet, die eine gleiche Ordnung aufweisen und jeweils auf eine gleiche Grenzfrequenz eingestellt werden, die einer Eigenfrequenz des Rades entspricht.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als erster und als zweiter Filter jeweils Filter verwendet, die eine Ordnung von zwei aufweisen.
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In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet das Sensorsignal einen Federweg des Rades ab. Über eine einmalige Ableitung des Sensorsignals wird die vertikale Geschwindigkeit des Rades gegenüber dem Aufbau ermittelt.
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In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als erster Filter ein Hochpassfilter und als zweiter Filter ein Tiefpassfilter verwendet.
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In noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kraft über ein aktives Kraftelement auf das Rad übertragen, wodurch das Rad gedämpft wird.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kraft über ein Dämpferkennfeld in eine Eingangsgröße für ein Dämpfungselement umgerechnet, von dem das Rad gedämpft wird.
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Ferner schlägt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Reduzieren von Schwingungen eines Rades eines Kraftfahrzeugs vor, bei der ein Sensor dazu ausgelegt ist, eine gegenüber einem Aufbau vertikale Geschwindigkeit des Rades zu ermitteln und ein Sensorsignal der vertikalen Geschwindigkeit des Rades einem ersten Filter und einem zweiten Filter zuzuführen, wobei das Sensorsignal von dem ersten Filter und dem zweiten Filter zu filtern ist und aus dem gefilterten Signal und einem Kennfeld eine Kraft zu ermitteln ist, die auf das Rad zu übertragen ist und der Schwingung entgegenwirkt, wobei der erste Filter und der zweite Filter einen Phasennulldurchgang im Bereich einer Eigenfrequenz des Rades aufweisen und das Kennfeld in einem Bereich, in dem die vertikale Geschwindigkeit des Rades Null ist, eine Totzone aufweist.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen der erste Filter und der zweite Filter eine gleiche Ordnung auf und sind jeweils auf eine gleiche Grenzfrequenz eingestellt, die einer Eigenfrequenz des Rades entspricht.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen der erste Filter und der zweite Filter eine Ordnung von zwei auf.
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In noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet das Sensorsignal einen Federweg des Rades ab. Über eine einmalige Ableitung ist die vertikale Geschwindigkeit des Rades gegenüber dem Aufbau zu ermitteln.
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In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der erste Filter ein Hochpassfilter und der zweite Filter ein Tiefpassfilter.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung ein aktives Kraftelement auf, das dazu ausgelegt ist, die Kraft auf das Rad zu übertragen, wodurch das Rad gedämpft wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung ein Dämpfungselement auf, wobei die Kraft über ein Dämpferkennfeld in eine Eingangsgröße für das Dämpfungselement umzurechnen und dem Dämpfungselement zuzuführen ist, und das Dämpfungselement dazu ausgelegt ist, entsprechend der Eingangsgröße das Rad zu dämpfen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines aktiven oder semiaktiven Fahrwerks.
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2 zeigt ein Blockdiagramm, das den schematischen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht.
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3 zeigt ein Diagramm, das eine Übertragungsfunktion, die durch Anwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt wird, mit Übertragungsfunktionen bekannter Fahrwerksdämpfer vergleicht.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein schematischer Aufbau eines aktiven oder semiaktiven Fahrwerks 10 beschrieben. Das Fahrwerk 10 umfasst ein Feder-Dämpfer-Element 12, das einen Reifen eines Fahrzeugs darstellt. Das Feder-Dämpfer-Element 12 ist an einem Ende mit einer Fahrbahn 14 verbunden und an einem anderen Ende mit einer Radmasse 16. An die Radmasse 16 schließt sich eine Fahrwerksfeder 18 und ein Aktuator 20 an. Der Aktuator 20 kann dabei wahlweise ein aktives Kraftelement oder ein semiaktiver Verstelldämpfer sein. Die Fahrwerksfeder 18 und der Aktuator 20 sind zwischen der Radmasse 16 an einem Ende der Fahrwerksfeder 18 und des Aktuators 20 und einer Aufbaumasse bzw. einem Aufbau 22 an einem anderen Ende der Fahrwerksfeder 18 und des Aktuators 20 angeordnet. Das Feder-Dämpfer-Element 12, also der Reifen des Fahrzeugs kann aufgrund eines Fahrbahnprofils der Fahrbahn 14 einfedern, was zu einer Reifeneinfederung 24 führt, die zwischen Fahrbahn 14 und Radmasse 16 auftritt. Ebenso kann sich das Rad, also die Radmasse 16, gegenüber dem Aufbau bewegen. Das führt zu einem Federweg 26, der sich zwischen Radmasse 16 und der Aufbaumasse 22 des Fahrzeugs einstellt.
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Bezug nehmend auf die einleitend erwähnten Groundhook-Algorithmen wird bei dem relativen Groundhook-Algorithmus eine Geschwindigkeit vgnd zwischen der Fahrbahn 14 und der Radmasse 16 ermittelt. Dies kann beispielsweise über einen an einer Radnabe montierten, nach unten gerichteten Laser-Sensor erfolgen.
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Bei dem absoluten Groundhook-Algorithmus wird vgnd als Absolutgeschwindigkeit der Radmasse 16 ermittelt und beschreibt eine vertikale Geschwindigkeit des Rades. Die Ermittlung dieses Werts ist deutlich einfacher und gelingt beispielsweise mit Beschleunigungssensoren am Aufbau 22 und Federwegsensoren 18 zwischen Rad 16 und Aufbau 22, welche bei aktiven bzw. semiaktiven Fahrwerken 10 meist serienmäßig vorhanden sind. Der Aktuator 20 ist bei aktiven Fahrwerken 10 dazu ausgebildet, direkt eine Sollkraft Fgnd, die auf die Radmasse 16 wirken soll, bereitzustellen. Bei semiaktiven Fahrwerken 10 ist der Aktuator 20 in der Regel aus weiterer Dämpfer ausgebildet. Daher wird bei semiaktiven Fahrwerken 10 ein Dämpferkennfeld zu Hilfe genommen, um eine Ventilstellung des Dämpfers zu berechnen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung baut auf dem absoluten Groundhook-Algorithmus auf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die benötigte Geschwindigkeit vgnd ausschließlich aus dem Federweg 26 ermittelt und beschreibt eine vertikale Geschwindigkeit des Rades 16 gegenüber einem Aufbau bzw. Fahrzeugaufbau 22. Ein Federwegsensor stellt, wie in den 1 und 2 dargestellt, ein Signal des Federwegs 26 bereit. Das Federwegsignal 26 wird in einem Schritt 28 differenziert, wodurch eine Federgeschwindigkeit 30 ermittelt wird. Das Signal der Federgeschwindigkeit 30 liegt zunächst ungefiltert vor, wodurch eine Dämpfungskraft bei jeglicher Anregung des Rades erzeugt werden würde. Bei niederfrequenten Anregungen, bei denen das Rad dem Profil der Fahrbahn 14 folgt, soll aber keine Anregung erfolgen. Daher wird das Signal der Federgeschwindigkeit Filtern zugeführt, die einen Phasennulldurchgang im Bereich einer Eigenfrequenz des Rades aufweisen. Das Signal der Federgeschwindigkeit 30 wird zunächst einem Hochpassfilter 32 zugeführt. Ein Hochpassfilter 32 schwächt Signale unterhalb einer Grenzfrequenz ab und lässt Signale oberhalb der Grenzfrequenz im Wesentlichen ungehindert passieren. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Grenzfrequenz des Hochpassfilters 32 auf eine Eigenfrequenz des Rades eingestellt. Liegt die Eigenfrequenz beispielsweise bei 12 Hz, wird die Grenzfrequenz ebenfalls auf 12 Hz eingestellt. Ferner ist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Hochpassfilter 32 ein Filter zweiter Ordnung. Anschließend wird das Signal der Federgeschwindigkeit 30 einem Tiefpassfilter 34 zugeführt. Ein Tiefpassfilter 34 schwächt Signale oberhalb einer Grenzfrequenz ab und lässt Signale unterhalb der Grenzfrequenz im Wesentlichen ungehindert passieren. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Tiefpassfilter 34 ebenfalls auf die Eigenfrequenz des Rades eingestellt, also ebenfalls auf beispielsweise 12 Hz. Auch der Tiefpassfilter 34 ist ein Filter zweiter Ordnung. Durch die Filterung des Federgeschwindigkeitssignals 30 mit einem Hochpass- und einem Tiefpassfilter 32, 34 bleiben lediglich Frequenzanteile im Bereich der Radeigenfrequenz erhalten. Durch Einstellen des Hochpassfilters 32 und des Tiefpassfilters 34 auf die Radeigenfrequenz und der Verwendung von Filtern zweiter Ordnung wird erreicht, dass der Phasennulldurchgang im Bereich der Radeigenfrequenz liegt. Nachdem das Signal der Federgeschwindigkeit 30 die Filter durchlaufen hat, liegt eine gefilterte Federgeschwindigkeit 36 vor, die der benötigten Geschwindigkeit vgnd, also der vertikalen Geschwindigkeit des Rades gegenüber dem Fahrzeugaufbau 22, entspricht. Anstelle des Hochpass- und Tiefpassfilters 32, 34 könnte auch jeder andere Filter oder jede andere Übertragungsfunktion verwendet werden, der bzw. die Frequenzanteile unter- und oberhalb der Radeigenfrequenz abschwächt und einen Phasennulldurchgang im Bereich der Radeigenfrequenz aufweist. Die auf diese Weise erzeugte gefilterte Geschwindigkeit bzw. vgnd 36 weist somit lediglich die Radschwingungen auf, die zu Radlastschwankungen führen.
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Ferner wird zur Ermittlung der auf das Rad wirkenden Sollkraft Fgnd auch kein konstanter Groundhook-Faktor bgnd verwendet, sondern es wird ein Kennfeld 38 herangezogen, das im Bereich der Radeigenfrequenz eine Totzone, also einen Nulldurchgang von vgnd 36 aufweist. Das Kennfeld 38 mit der Totzone im Bereich der Radeigenfrequenz ermöglicht, dass auf das Rad dämpfend wirkende Kräfte erst bei zunehmender Intensität der Radschwingungen wirksam werden. Bei kleinen oder moderaten Anregungen durch die Fahrbahn 14 wird der Komfort durch die zusätzlichen Raddämpfungskräfte nicht negativ beeinflusst.
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Aus dem Kennfeld 38 wird in Abhängigkeit von vgnd 36 eine Kraft Fgnd 40 ermittelt, die dem Aktuator 20 als Sollgröße bereitgestellt wird. Bei einem aktiven Fahrwerk kann die Sollgröße Fgnd 40 direkt von dem Aktuator umgesetzt werden. Bei einem semiaktiven Fahrwerk muss die Kraft Fgnd noch in eine Sollgröße für den Dämpfer umgerechnet werden. Das kann beispielsweise bei einem hydraulischen Verstelldämpfer über ein dem Fachmann bekanntes Dämpferkennfeld erreicht werden, mit dem die Sollkraft mit einer Dämpfergeschwindigkeit in einen Ventilstrom umgerechnet werden kann.
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3 zeigt die Auswirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Radlastschwankung gegenüber herkömmlichen Dämpfungsverfahren. In 3 ist in dem gezeigten Diagramm der Betrag 42 der Übertragungsfunktion von der Straßenanregung auf die dynamische Radlastschwankung auf der Ordinate über einer Frequenz 44 auf der Abszisse aufgetragen. Die Kurve 46 stellt die Radlastschwankungen für ein passives Dämpfungssystem mit einer niedrigen Dämpfung dar. Von links nach rechts gesehen beschreibt dabei der erste Hochpunkt 48 einen Bereich um eine Eigenfrequenz 50 des Aufbaus 22 des Fahrzeugs und der zweite Hochpunkt 52 einen Bereich um die Eigenfrequenz 54 des Rades. Die Kurve 56 beschreibt die Übertragungsfunktion für ein passives Dämpfungssystem mit einer hohen Dämpfung. Die beiden Hochpunkte 48, 52 sind deutlich reduziert bzw. nicht vorhanden, wodurch die Fahrsicherheit verbessert wird. Jedoch weist die Kurve 56 einen Hochpunkt 58 in einem Bereich zwischen den Eigenfrequenzen 50, 54 des Aufbaus und des Rades auf. Dieser Bereich ist ausschlaggebend für den Fahrkomfort, den ein Fahrer des Fahrzeugs empfindet. Ein Hochpunkt 58 in diesem Bereich wirkt sich daher negativ auf den Fahrkomfort aus. Kurve 60 veranschaulicht die Übertragungsfunktion für ein aktives bzw. semiaktives Fahrwerkssystem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Deutlich ist zu erkennen, dass der Hochpunkt 52 abgeschwächt ist und auch der Hochpunkt 58 nicht existiert, wodurch der Fahrkomfort nicht beeinträchtigt ist. Dies wird erreicht, da aufgrund des Kennfelds mit der Totzone im Bereich der Radeigenfrequenz eine zusätzliche Dämpfung erst bei erhöhten Radschwingungen einsetzt, wodurch der Fahrkomfort bei niedrigen Anregungen nicht negativ beeinflusst wird. Auch hat der Groundhook-Algorithmus im Bereich der Eigenfrequenz 50 des Aufbaus 22 keine negativen Auswirkungen auf das Fahrverhalten mehr.
