DE102019118904A1 - Dämpfungsvorrichtung eines Fahrzeugs und zugeordnetes Verfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung (20) eines Fahrzeugs, umfassend einen semiaktiven Stoßdämpfer (22) und eine zugeordnete Steuervorrichtung (24), umfassend:- einen Beschleunigungsmesser (26), der eingerichtet ist, die Querbeschleunigung des Fahrzeugs zu messen;- eine Kontrolleinheit (28), die konfiguriert ist, um eine von dem Stoßdämpfer (22) auf der Basis des Beschleunigungssignals (S1) durchzuführende Sollkraft zu bestimmen, um die Querschwingungen des Fahrzeugs zu minimieren;- eine Steuereinheit (30) des Stoßdämpfers (22) in Abhängigkeit von dem Kraftsignal (S2);- einen Verlagerungsdetektor (32) des Stoßdämpfers (22);- eine Modellierungseinheit (34), die konfiguriert ist, um eine charakteristische Zustandsvariable der Verlagerung des Stoßdämpfers (22) mittels eines theoretischen Modells des Stoßdämpfers (22) und Steuer- (S3) und Verlagerungssignalen (S4) zu bestimmen. Die Steuereinheit (30) ist geeignet, das Steuersignal (S3) auch auf der Basis des Zustandssignals (S5) zu bestimmen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, umfassend einen semiaktiven Stoßdämpfer und eine Steuervorrichtung, die zum Steuern des semiaktiven Stoßdämpfers konfiguriert ist, wobei die Steuervorrichtung einen Beschleunigungsmesser umfasst, der eingerichtet ist, die Querbeschleunigung des Fahrzeugs zu messen und ein Beschleunigungssignal, das die Messung der Querbeschleunigung umfasst, zu übertragen; eine Kontrolleinheit, die konfiguriert ist, um das Beschleunigungssignal zu empfangen, eine Sollkraft, die von dem semiaktiven Stoßdämpfer durchzuführen ist, auf der Basis des Beschleunigungssignals zu bestimmen, um die Querschwingungen des Fahrzeugs zu minimieren und ein Kraftsignal, das die Sollkraft umfasst, zu übertragen und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um das Kraftsignal zu empfangen und ein Steuersignal als Funktion des Kraftsignals an den semiaktiven Stoßdämpfer zu übertragen.
• Die Dämpfungsvorrichtung ist insbesondere zur Lösung von Querschwingungsproblemen in einem Schienenfahrzeug vorgesehen, das mit hoher Geschwindigkeit fährt. Zur Verbesserung des Komforts der Passagiere und aus Sicherheitsgründen ist es wichtig, diese Querschwingungen stark zu reduzieren.
• Zu diesem Zweck ist es bekannt, semiaktive Stoßdämpfer zu verwenden, die einen guten Kompromiss zwischen den Dämpfungsleistungen und den Kosten für Energie und Technik darstellen. Man spricht von einem semiaktiven Stoßdämpfer, wenn der Stoßdämpfer variable Merkmale aufweist, die ohne Bereitstellung von hoher Leistung gesteuert werden.
• Insbesondere ist ein semiaktiver Stoßdämpfer bekannt, der von einer Steuerschaltung gesteuert wird, die aus einem inversen Stoßdämpfermodell besteht, wobei das inverse Modell einen Steuerstromwert des Stoßdämpfers auf der Basis eines relativen Geschwindigkeitswertes zwischen zwei Enden des Stoßdämpfers und einem Kraftsollwert bestimmt. Ein derartiger Stoßdämpfer ist beispielsweise in dem Dokument EP 0 816 141 beschrieben.
• Jedoch ist dieser Stoßdämpfer nicht vollkommen zufriedenstellend, da seine Steuerung nicht optimiert ist und nicht alle möglichen Verhaltensweisen des Stoßdämpfers berücksichtigt.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen semiaktiven Stoßdämpfer zu erhalten, dessen Steuerung verbessert ist.
• Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Dämpfungsvorrichtung des vorgenannten Typs zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung ebenfalls einen Verlagerungsdetektor umfasst, der eingerichtet ist, die Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers zu messen und ein Verlagerungssignal zu übertragen, das die Messung der Verlagerung und eine Modellierungseinheit umfasst, die konfiguriert ist, um das Steuersignal und das Verlagerungssignal zu empfangen, eine charakteristische Zustandsvariable der Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers mittels eines theoretischen Modells des semiaktiven Stoßdämpfer und Steuer- und Verlagerungssignalen zu bestimmen und ein Zustandssignal, das die charakteristische Zustandsvariable umfasst, an die Steuereinheit zu übermitteln, wobei die Steuereinheit geeignet ist, das Steuersignal ebenfalls auf der Basis des Zustandssignals zu bestimmen.
• Die Modellierungseinheit erlaubt dank des theoretischen Modells, der Steuereinheit eine Information über den Zustand des semiaktiven Stoßdämpfers unter Berücksichtigung interner Steifigkeiten in dem semiaktiven Stoßdämpfer bereitzustellen und liefert damit eine genauere Schätzung der von dem Stoßdämpfer ausgeübten Kraft und insbesondere deren tatsächliche Ausrichtung. Die Steuereinheit korrigiert damit dank dieser Information den an den semiaktiven Stoßdämpfer zu übertragenden Steuerstrom. Die Erfindung erlaubt demzufolge eine optimierte Steuerung des semiaktiven Stoßdämpfers dahingehend, dass der auf den semiaktiven Stoßdämpfer angewendete Steuerstrom das Hystereseverhalten des semiaktiven Stoßdämpfers berücksichtigt. Das Hystereseverhalten des Stoßdämpfers ist mit den internen Steifigkeiten des Stoßdämpfers sowie mit den Verbindungssteifigkeiten (Gelenke, Schalen u. ä.) verbunden, die zu Phasenverschiebungen zwischen der Dämpfungskraft und der Verlagerungsgeschwindigkeit der Befestigungspunkte des Stoßdämpfers am Fahrzeug führen. Wenn diese Verschiebung nicht berücksichtigt wird, kann das bei bestimmten Konfigurationen zu einer realen Kraft in die entgegengesetzte Richtung zu der gewünschten Steuerkraft führen und somit die Lenkung des Stoßdämpfers suboptimal gestalten.
• Die Dämpfungsvorrichtung kann eins oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen, die allein oder gemäß allen technisch möglichen Kombinationen herangezogen werden:
• - das theoretische Modell ist ein Maxwell-Modell, das einen idealen Stoßdämpfer in Reihe mit einer idealen Feder umfasst;
• - die Modellierungseinheit ist geeignet, den Dämpfungskoeffizienten des idealen Stoßdämpfers auf der Basis experimenteller Messungen der Kraft zu bestimmen, die von einem experimentellen Stoßdämpfer erzeugt wird, analog zum semiaktiven Stoßdämpfer;
• - die charakteristische Zustandsvariable ist die relative Verlagerungsgeschwindigkeit der Enden des idealen Stoßdämpfers;
• - die Dämpfungsvorrichtung umfasst einen Bandpassfilter, der konfiguriert ist, um das vom Beschleunigungsmesser ausgegebene Beschleunigungssignal zu filtern;
• - der Bandpassfilter ist konfiguriert, um die Frequenzen hindurchzulassen, die im Wesentlichen zwischen 0,25 Hz und 1,5 Hz liegen und die restlichen Frequenzen abzumildern;
• - die Kontrolleinheit ist konfiguriert, um einen Hybridkontrollalgorithmus zu verwenden, wobei der Hybridkontrollalgorithmus aus einem Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ in Kombination mit einem Algorithmus vom Typ „Skyhook“ zusammengesetzt ist;
• - der Bandpassfilter ist ein Filter zweiter Ordnung mit unendlicher Impulsantwort und wobei die Kontrolleinheit konfiguriert ist, um:
  • + den Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ auf Signale mit einer Frequenz unter 0,5 Hz anzuwenden,
  • + den Algorithmus vom Typ „Skyhook“ auf Signale mit einer Frequenz über 5 Hz anzuwenden,
  • + den Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ mit dem Algorithmus vom Typ „Skyhook“ auf Signale mit einer Frequenz zwischen 0,5 Hz und 5 Hz hybrid anzuwenden, mit einer schrittweisen Erhöhung des Gewichts des Algorithmus vom Typ „Skyhook“ mit der Frequenz.
• Die Erfindung hat ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung eines semiaktiven Stoßdämpfers zum Gegenstand, umfassend die folgenden Schritte:
• - Messen der Querbeschleunigung des Fahrzeugs und Übertragen des Beschleunigungssignals durch den Beschleunigungsmesser;
• - Empfangen des Beschleunigungssignals, Bestimmen der Sollkraft und Übertragen des Kraftsignals durch die Kontrolleinheit;
• - Empfangen des Kraftsignals und Übertragen des Steuersignals an den semiaktiven Stoßdämpfer durch die Steuereinheit;
• - Messen der Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers und Übertragen des Verlagerungssignals durch den Detektor;
• - Empfangen des Verlagerungssignals, Bestimmen der charakteristischen Zustandsvariablen und Übertragen des Zustandssignals durch die Modellierungseinheit; und
• - Empfangen des Zustandssignals, Bestimmen des Steuersignals auf der Basis ebenfalls des Zustandssignals und Übertragen des Steuersignals an den semiaktiven Stoßdämpfer durch die Steuereinheit.
• Die Erfindung wird bei der Lektüre der folgenden Beschreibung besser verstanden werden, die nur als Beispiel gegeben ist und sich auf die Zeichnungen in der Anlage bezieht, von denen:
• - die 1 eine schematische Schnittansicht eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs ist, das mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung ausgestattet ist;
• - die 2 eine schematische Darstellung eines Maxwell-Modells ist, das eine Variante des mechanischen Modells darstellt, das für die Modellierung eines semiaktiven Stoßdämpfers in einer erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung verwendet wird;
• - die 3 ein Organigramm eines erfindungsgemäßen Steuerverfahrens ist;
• - die 4 ein Organigramm einer Variante des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens auf der Basis einer einfachen mechanischen Modellierung des Stoßdämpfers durch einen Maxwell-Stoßdämpfer ist;
• - die 5 ein Bode-Diagramm des Bandpassfilters 36 ist.
• Ein auf der 1 dargestelltes Schienenfahrzeug 10 ist beispielsweise ein Eisenbahnwaggon, der Reisende transportiert.
• Das Schienenfahrzeug 10 weist in klassischer Weise einen Wagenkasten 12, Sitze 14, ein Drehgestell 16 mit Rädern 18 und mindestens eine Dämpfungsvorrichtung 20 auf.
• Die Sitze 14 befinden sich in dem Wagenkasten 12 und erlauben den Reisenden, sich während des Transports zu setzen.
• Das Drehgestell 16 befindet sich unter dem Wagenkasten 12. Der Wagenkasten 12 ist über dem Drehgestell 16 aufgehängt, das heißt, dass sich die Dämpfungsvorrichtung 20 zwischen dem Drehgestell 16 und dem Wagenkasten 12 derart befindet, dass sich der Wagenkasten 12 in Bezug auf das Drehgestell 16 verlagern kann.
• Die Räder 18 sind an dem Drehgestell 16 durch Achsen befestigt, die auf den Figuren nicht dargestellt sind. Die Räder 18 sind konfiguriert, um auf Gleisen 21 zu fahren und somit die Verlagerung des Schienenfahrzeugs 10 zu gestatten.
• Die Dämpfungsvorrichtung 20 umfasst einen semiaktiven Stoßdämpfer 22 und eine Steuervorrichtung 24.
• Der semiaktive Stoßdämpfer 22 verbindet den Wagenkasten 12 und das Drehgestell 16. Der semiaktive Stoßdämpfer 22 ist konfiguriert, um die Querschwingungen des Wagenkastens 12 zu dämpfen, um den Komfort der Reisenden zu verbessern, die sich in dem Wagenkasten 12 befinden.
• Das Verhalten des semiaktiven Stoßdämpfers 22 wird zufriedenstellend von einem Maxwell-Stoßdämpfer oder jedem anderen geeigneten rheologischen Modell (Spencer, Bouc-Wen, Dahl, LuGre, Hyperboltangente und ihre Varianten und Kombinationen) beschrieben.
• Die Steuervorrichtung 24 steuert den semiaktiven Stoßdämpfer 22, das heißt, sie überträgt Steuersignale an den semiaktiven Stoßdämpfer 22, um das Verhalten desselben in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen zu verändern. Die Steuersignale sind beispielsweise Steuerströme, die auf den semiaktiven Stoßdämpfer 22 angewendet werden, wobei die Stromstärke von einem Steuerstrom zum anderen variiert, um das Verhalten des semiaktiven Stoßdämpfers 22 zu verändern.
• Wie auf der 3 dargestellt ist, umfasst die Steuervorrichtung 24 einen Beschleunigungsmesser 26, eine Kontrolleinheit 28, eine Steuereinheit 30, einen Verlagerungsdetektor 32 und eine Modellierungseinheit 34. Wie auf der 4 dargestellt ist, umfasst die Steuervorrichtung 24 gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ebenfalls einen Bandpassfilter 36, einen ersten Tiefpassfilter 38 und einen zweiten Tiefpassfilter 40.
• Der Beschleunigungsmesser 26 misst die Querbeschleunigung des Wagenkastens 12, wobei die Querbeschleunigung die Beschleunigung gemäß der senkrechten Richtung zur Verlagerungsrichtung des Schienenfahrzeugs 10 ist. Der Beschleunigungsmesser 26 überträgt ein Beschleunigungssignal S1, welches die Messung der Querbeschleunigung umfasst.
• Die Kontrolleinheit 28 empfängt das von dem Beschleunigungsmesser 26 übertragene Beschleunigungssignal S1.
• Die Kontrolleinheit 28 bestimmt eine Sollkraft, die von dem semiaktiven Stoßdämpfer 22 auszuüben ist, um die Querschwingungen des Wagenkastens 12 auf der Basis des Beschleunigungssignals S1 zu minimieren.
• In vorteilhafter Weise bestimmt die Kontrolleinheit 28 die Sollkraft mittels eines Hybridkontrollalgorithmus. Der Hybridkontrollalgorithmus ist eine Kombination eines Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ (oder „Contrôle de l'Amortissement Pilote par l'Acceleration“ auf Französisch) und eines Algorithmus vom Typ „Skyhook“ (oder „Amortisseur Imaginaire“ auf Französisch).
• Die Algorithmen vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ und „Skyhook“ sind dem Fachmann gut bekannt und sind beispielsweise in „Semi-Active Control Strategies for High-performance Motorcycle“ oder „Stratégies de Commande Semi-Actives pour Deux-Roues Motorise Haute Performance“ auf Französisch, Savaresi & al, und in „A New Type of Hybrid Semi-Active Control Strategy in the Application of High-Speed Railway Vehicule Vibration Control“, „Un Nouveau Type de Strategie de Contröle Semi-Actif Hybride Appliquee au Contröle des Vibrations de Vehicule Ferroviaire Haute-Vitesse“ auf Französisch, Yingying & al beschrieben.
• Der Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ verwendet eingangs die Querbeschleunigung des Wagenkastens 12, die von dem Beschleunigungsmesser 26 gemessen wurde.
• Der Algorithmus „Skyhook“ verwendet eingangs die transversale Geschwindigkeit des Wagenkastens 12, bestimmt vom Beschleunigungsmesser 26 anhand eines auf den Figuren nicht dargestellten Integrationsmoduls, das die transversale Geschwindigkeit des Wagenkastens 12 auf der Basis des Beschleunigungssignals S1 bestimmt.
• Die Hybridisierung zwischen den zwei Algorithmen wird mittels des Bandpassfilters 36 durchgeführt, der eine schrittweise Phasenverschiebung für die ansteigenden Frequenzen durchführt. Dieser Bandpassfilter führt dazu, dass man ein Phasensignal nahe 0 in Bezug auf das Eingangssignal für die niedrigen Frequenzen erhält, insbesondere für Frequenzen unter 0,6 Hz, wodurch ein Signal erzeugt wird, das dem der vom Beschleunigungsmesser 26 gemessenen Beschleunigung ähnelt. Bei den höheren Frequenzen, insbesondere für Frequenzen über 5 Hz, wird die Phasenverschiebung schrittweise erhöht, bis man eine Phasenverzögerung nahe 90° erhält, wodurch ein Signal erzeugt wird, das dem im Bereich der Amplitude sehr ähnlich ist, das aus eine Integration resultiert. Im Bereich der niedrigen Frequenzen, in dem der semiaktive Stoßdämpfer sehr reaktiv ist, werden die am Wagenkasten anliegenden Beschleunigungen direkt durch die erzeugte Kraft kompensiert. Bei hohen Frequenzen wird eine „Skyhook“-Kontrollstrategie angewendet, und im Übergangsfrequenzbereich haben wir es mit einer Hybridisierung der beiden Kontrollstrategien zu tun. Bei Frequenzen deutlich über 5 Hz, insbesondere für Frequenzen über 15 Hz, ein Bereich, in dem sich die Reaktivität des semiaktiven Stoßdämpfer abschwächt, bietet die Transferfunktion des Bandpassfilters einen geringen Bandbereich, so dass in diesen Frequenzbereich keine unangepassten Kräfte übertragen werden. Vom Standpunkt der „Skyhook“-Steuerstrategie wird durch die Verwendung des Bandpassfilters 36 ebenfalls ein Phasenvorschub für Frequenzen von zirka 1,5 Hz und darüber hinaus geboten, wodurch ermöglicht wird, die Reaktionszeit des Stoßdämpfers durch Antizipieren des Steuersignals um einen Teil einer Periode annähernd zu kompensieren.
• Die Kontrolleinheit 28 überträgt ein Kraftsignal S2, welches die Sollkraft umfasst.
• Die Steuereinheit 30 empfängt das von der Kontrolleinheit 28 übertragene Kraftsignal S2.
• Die Steuereinheit 30 bestimmt einen Steuerstrom Ic auf der Basis des auf den semiaktiven Stoßdämpfer 22 anzuwendenden Kraftsignals S2, damit der semiaktive Stoßdämpfer 22 eine Kraft ausübt, die so nah wie möglich bei der Sollkraft ist, die von der Kontrolleinheit 28 bestimmt wurde.
• Die Steuereinheit 30 überträgt ein Steuersignal S3, das dem Steuerstrom Ic entspricht, an die Modellierungseinheit 34 und an den semiaktiven Stoßdämpfer 22.
• Der Detektor 32 misst die Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers 22. Unter Messen der Verlagerung wird das Messen des Abstands verstanden, der die zwei Enden 41 und 42 gemäß der Aktionsgeraden des semiaktiven Stoßdämpfers 22 trennt.
• Der Detektor 32 überträgt ein Verlagerungssignal S4, welches die Messung der Verlagerung umfasst.
• Die Modellierungseinheit 34 empfängt das Steuersignal S3, das von der Steuereinheit 30 übertragen wurde, und das Verlagerungssignal S4, das von dem Detektor 32 übertragen wurde.
• Die Modellierungseinheit 34 bestimmt eine charakteristische Zustandsvariable der Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers 22 und in vorteilhafter Weise der Ausrichtung und der Höhe der Kraft des semiaktiven Stoßdämpfers 22 mittels eines theoretischen Modells des semiaktiven Stoßdämpfers 22.
• Ein guter Kompromiss für eine Anwendung in Echtzeit zwischen dem repräsentativen Charakter und der Rechenzeit ist das Maxwell-Modell, das auf der 2 dargestellt ist. Das theoretische Maxwell-Modell umfasst einen idealen Stoßdämpfer 43 in Reihe mit einer idealen Feder 44. Der ideale Stoßdämpfer 43 ist mit dem Drehgestell 16 verbunden, von dem im Maxwell-Modell davon ausgegangen wird, dass es fest ist. Der ideale Stoßdämpfer 43 ist durch einen in Bezug auf die Geschwindigkeit nicht linearen Dämpfungskoeffizienten c gekennzeichnet. Die ideale Feder 44 ist durch eine Steifigkeitskonstante k gekennzeichnet.
• Auf der 2 ist der Abstand zwischen den Enden des semiaktiven Stoßdämpfers 22 x. Der Abstand zwischen den Enden des idealen Stoßdämpfers 43 ist y.
• Die charakteristische Zustandsvariable ist in vorteilhafter Weise die relative Verlagerungsgeschwindigkeit der Enden des idealen Stoßdämpfers 43 y.
• Das Maxwell-Modell führt zu den folgenden Gleichungen: $$\frac{dy}{dt}=-\frac{\text{k}}{\text{c}\left(\text{t}\right)}\times \left(\text{y}\left(\text{t}\right)-\text{x}\left(\text{t}\right)\right)$$

  

  $$\frac{d^{2}y}{d{t}^2}=\frac{-\frac{k}{c\left(t\right)}\times \left(y\left(\dot{t}\right)-x\left(\dot{t}\right)\right)}{1+\frac{k}{c{\left(t\right)}^2}\times \frac{dc}{d\dot{y}}\times \left(y\left(t\right)-x\left(t\right)\right)}$$

  

  $$F\left(t\right)=-k\ast y\left(t\right)+k\ast x\left(t\right)+F_{Offset}$$

  

  $$\dot{y}=-\frac{k}{c\left(t\right)}\times \left(y-x\right)$$

  

  $$\ddot{y}=-\frac{k}{c\left(t\right)}\times \left[\dot{y}-\dot{x}+\frac{\dot{c}}{c\left(t\right)}\times \left(y-x\right)\right]$$

  

  $$F=c\left(t\right)\times \dot{y}+F_{Offset}$$

  

  wobei F_offset eine unidirektionelle Verschiebungskraft ist, die durch eine konstante Kraft approximierbar ist, die jederzeit zwischen den beiden Enden des Stoßdämpfers anliegt. Diese Kraft ist für jeden Stoßdämpfer mit einer Stange klassisch, bei dem das Fluid von einer Ausgleichsvorrichtung unter Druck gehalten wird, die Kavitationserscheinungen vermeidet.
• Das theoretische Modell stellt den semiaktiven Stoßdämpfer 22 dar und charakterisiert seinen Zustand unter Berücksichtigung der Steifigkeiten, die das Hystereseverhalten verursachen, durch Speichern und zyklisches Abgeben von Deformationsenergie. Als Hysterese wird die Eigenschaft eines Systems bezeichnet, dessen Zustand von der Geschichte der Beanspruchungen abhängt, denen es ausgesetzt war. Hier, aufgrund der internen Steifigkeiten des semiaktiven Stoßdämpfers 22, ist der Zustand des semiaktiven Stoßdämpfers 22 also nicht ausschließlich mit dem angewendeten Steuerstrom verbunden. Die Nichtberücksichtigung dieses Hystereseverhaltens würde zu einer erheblichen Verschlechterung der Potentiale der Dämpfungsvorrichtung 20 führen.
• Wie auf der 4 dargestellt ist, umfasst die Modellierungseinheit 34 in vorteilhafter Weise ein Umleitungsmodul 46, ein Parametriermodul 48 und ein Rechenmodul 50.
• Das Umleitungsmodul 46 empfängt das von dem Detektor 32 über den Tiefpassfilter 38 übertragene Verlagerungssignal S4, was erlaubt, den Frequenzbereich des Verlagerungssignals auf den Nutzteil zu begrenzen, um ein nutzbares Geschwindigkeitssignal S6 zu erhalten.
• Das Umleitungsmodul 46 bestimmt die Verlagerungsgeschwindigkeit des semiaktiven Stoßdämpfers 22 in Bezug auf das Drehgestell 16 auf der Basis des Verlagerungssignals S4.
• Das Umleitungsmodul 46 überträgt das Geschwindigkeitssignal S6, umfassend die Verlagerungsgeschwindigkeit des semiaktiven Stoßdämpfers 22 zwischen seinen beiden beweglichen Teilen, beispielsweise an das Rechenmodul 50. Die an das Rechenmodul 50 übertragene Menge hängt von der physischen Positionierung des entsprechenden Sensors innerhalb des Stoßdämpfers ab.
• Das Parametriermodul 48 empfängt das Steuersignal S3, das von dem Steuermodul 30 übertragen wird und dem auf den semiaktiven Stoßdämpfer 22 anzuwendenden Steuerstrom entspricht.
• Das Parametriermodul 48 bestimmt den Wert des Dämpfungskoeffizienten c des idealen Stoßdämpfers 43 und den Wert der Ableitung des Dämpfungskoeffizienten c in Bezug auf die Verlagerungsgeschwindigkeit y. Die Verlagerungsgeschwindigkeit wird von dem Rechenmodul 50 bestimmt. Der Wert der Verlagerungsgeschwindigkeit des Dämpfungselements 43 ist bei der ersten Berechnung, die von dem Parametriermodul durchgeführt wird, Null, da das sich Fahrzeug nicht bewegt.
• Das Parametriermodul 48 überträgt ein Parametriersignal S7, umfassend den Wert des Dämpfungskoeffizienten c des idealen Stoßdämpfers 43 und den Wert der Ableitung des Dämpfungskoeffizienten c in Bezug auf die Verlagerungsgeschwindigkeit ẏ, wobei das Parametriersignal S7 auf das Rechenmodul 50 übertragen wird.
• Das Rechenmodul 50 empfängt das Verlagerungssignal S4, das Geschwindigkeitssignal S6 und das Parametriersignal S7.
• Das Rechenmodul 50 bestimmt die charakteristische Zustandsvariable der Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers 22 mittels des theoretischen Modells.
• Das Rechenmodul 50 überträgt das Zustandssignal S5, das die Zustandsvariable umfasst, an die Steuereinheit 30 und an das Parametriermodul 48.
• Das Parametriermodul 48 empfängt das Zustandssignal S5, wobei die Bestimmung des Wertes des Dämpfungskoeffizienten c des idealen Stoßdämpfers 43 und des Wertes der Ableitung des Dämpfungskoeffizienten c in Bezug auf die Verlagerungsgeschwindigkeit ẏ auf der Basis dieses Zustandssignals S5 durchgeführt werden, das vorzugsweise der Verlagerungsgeschwindigkeit des idealen Stoßdämpfers 43 entspricht.
• In vorteilhafter Weise verwendet das Parametriermodul 48 eine nicht-lineare Kurve in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ẏ für den Dämpfungskoeffizienten c des idealen Stoßdämpfers 43, die a priori auf der Basis von experimentellen Messungen der von einem experimentellen Stoßdämpfer erzeugten Kraft bestimmt wurde, analog zu dem semiaktiven Stoßdämpfer 22. Diese Kurve kann aus einer Nachkalibrierung des Maxwell-Modells und des Parametriermoduls 48 bei verschiedenen Arbeitsgeschwindigkeiten der Enden des experimentellen Stoßdämpfers und unterschiedlichen Steuerstromstärken hervorgegangen sein. Diese Nachkalibrierung kann auf der Basis einer Sinuserregung bei unterschiedlichen Arbeitsgeschwindigkeiten und unterschiedlichen Steuerströmen durch die Messung der resultierenden Kraft erfolgen, die von dem experimentellen Stoßdämpfer ausgeübt wurde, und dem Vergleich mit dem digitalen Modell, gefolgt von der Nachkalibrierung der nicht-linearen Kurve, die für den idealen Stoßdämpfer 43 und die Steifigkeit k charakteristisch ist. Die Charakteristik des nicht-linearen Stoßdämpfers ist in Form einer Kurve der Dämpfungskraft in Abhängigkeit von einer Arbeitsgeschwindigkeit ẏ darstellbar.
• Das derart neukalibrierte Rechenmodul 50 und Parametriermodul 48 stellen in Echtzeit jeweils einen Wert der Zustandsvariablen ẏ und einen Wert des momentanen Dämpfungskoeffizienten c und seiner Ableitung bereit. Die beiden letztgenannten Elemente werden auf der Basis der nicht-linearen Kurve F(y) bestimmt, welche die Charakteristik des idealen Stoßdämpfers 43 mittels der folgenden Gleichungen gibt: $$c=\frac{sign\left(\dot{y}\right)\times F\left(\left|\dot{y}\right|\right)}{\dot{y}}$$

  

  $$\frac{dc}{d\dot{y}}=\frac{F\left(\left|\dot{y}\right|\right)\times \dot{y}-sign\left(\dot{y}\right)\times F\left(\left|\dot{y}\right|\right)}{{\dot{y}}^2}$$

  
• Die Steuereinheit 30 empfängt das Zustandssignal S5.
• Die Steuereinheit 30 bestimmt den Steuerstrom Ic. Der Steuerstrom Ic entspricht dem mit dem theoretischen Modell der Modellierungseinheit 34 optimierten Steuerstrom. Somit erlaubt der Steuerstrom Ic, Probleme zu vermeiden, die auf das Hystereseverhalten des semiaktiven Stoßdämpfers 22 zurückzuführen sind, und eine optimale Dämpfung der Querschwingungen des Wagenkastens 12 zu erhalten.
• Die Steuereinheit 30 überträgt den Steuerstrom Ic an den semiaktiven Stoßdämpfer 22.
• Der semiaktive Stoßdämpfer 22 empfängt den Steuerstrom Ic und wendet die dem Steuerstrom Ic zugeordnete Dämpfungskraft an den Wagenkasten 12 an, um die Querschwingungen des Wagenkastens 12 auszugleichen.
• Der Bandpassfilter 36 filtert variabel die verschiedenen Frequenzbereiche des Beschleunigungssignals S1, die aus dem Beschleunigungsmesser 26 ausgegeben werden, und induziert eine variable Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz. Er bildet das Element, das erlaubt, die Hybridisierung zwischen dem Algorithmus „Acceleration Driven Damping Control“ und dem Algorithmus „Skyhook“ durchzuführen.
• Der Bandpassfilter 36 überträgt das gefilterte Beschleunigungssignal S1 an die Kontrolleinheit 28.
• In vorteilhafter Weise ist der Bandpassfilter 36, dessen Bode-Diagramm auf der 5 dargestellt ist, ein Filter mit unendlicher Impulsantwort der zweiten Ordnung, der Frequenzen hindurchlässt, die sich im Wesentlichen zwischen 0,25 Hz und 1,5 Hz befinden und dämpft die restlichen Frequenzen. Die Charakteristik eines derartigen Filters ist für ein breites Sortiment rollenden Materials und für eine Hauptstreckenanwendung geeignet.
• In vorteilhafter Weise nutzt der Hybridkontrollalgorithmus einen Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ für Signale mit einer Frequenz unter 0,6 Hz und einen Algorithmus vom Typ „Skyhook“ für Signale mit einer Frequenz über 5 Hz.
• Zwischen den beiden Frequenzbereichen von dem Bandpassfilter 36 mit einer schrittweisen Erhöhung des Algorithmus „Skyhook“ für ansteigende Frequenzen wird eine Hybridisierung der beiden Kontrollgesetze durchgeführt. Der Hybridkontrollalgorithmus verwendet damit jeden Algorithmus in dem Frequenzbereich, in dem die Antwortzeit des Stoßdämpfers angepasst ist. Im Bereich der sehr kleinen Frequenzen ist der Stoßdämpfer in der Lage, die Beschleunigungen, die auf den Wagenkasten 12 wirken, mit einer Reaktionszeit auszugleichen, die vernachlässigt werden kann. Dies ist für höhere Frequenzen nicht mehr der Fall, für die eine „Skyhook“-Strategie geeigneter ist.
• Der erste Tiefpassfilter 38 empfängt das von dem Detektor 32 übertragene Verlagerungssignal S4.
• Der erste Tiefpassfilter 38 dämpft die hohen Frequenzen, in vorteilhafter Weise oberhalb von 100 Hz.
• Der erste Tiefpassfilter 38 erleichtert die Verarbeitung und insbesondere die Ableitungsvorgänge.
• Der erste Tiefpassfilter 38 überträgt das gefilterte Verlagerungssignal S4 an das Umleitungsmodul 46 und an das Rechenmodul 50.
• Der zweite Tiefpassfilter 40 empfängt das von der Steuereinheit 30 übertragene Steuersignal S3.
• Der zweite Tiefpassfilter 40 dämpft die hohen Frequenzen, in vorteilhafter Weise oberhalb von 100 Hz.
• Der zweite Tiefpassfilter 40 verhindert den Eingang hoher Frequenzen in das digitale Modell und erlaubt, die Erzeugung hoher Kräfte in einem Frequenzbereich zu vermeiden, für den das Maxwell-Modell oder jedes andere rheologische Modell nicht mehr repräsentativ sind.
• Der zweite Tiefpassfilter 40 überträgt das gefilterte Steuersignal S3 an das Parametriermodul 48.
• Jetzt wird ein Steuerverfahren des semiaktiven Stoßdämpfers 22, das die bevorzugte Variante des semiaktiven Stoßdämpfers 22 verwendet, das auf der 4 dargestellt ist, beschrieben.
• Zunächst steht das Fahrzeug, und die übertragenen Werte der Verlagerung, der Beschleunigung, des Dämpfungskoeffizienten und seiner Ableitung in Bezug auf die Geschwindigkeit sind allgemein Null.
• Der Beschleunigungsmesser 26 misst die Querbeschleunigung des Wagenkastens 12 und überträgt das Beschleunigungssignal S1 an den Bandpassfilter 36.
• Der Bandpassfilter 36 empfängt das Beschleunigungssignal S1 und lässt die Frequenzen hindurch, die im Wesentlichen zwischen 0,25 Hz und 1,5 Hz liegen, wobei die restlichen Frequenzen abgemildert werden.
• In vorteilhafter Weise verarbeitet der Bandpassfilter 36 das Beschleunigungssignal S1 und führt eine schrittweise Phasenverschiebung für die ansteigenden Frequenzen durch.
• Danach überträgt der Bandpassfilter 36 das Beschleunigungssignal S1 an die Kontrolleinheit 28.
• Die Kontrolleinheit 28 empfängt das gefilterte Beschleunigungssignal S1 und bestimmt die Sollkraft auf der Basis des Beschleunigungssignals S1, das mit dem Hybridkontrollalgorithmus gefiltert wurde.
• Der Hybridkontrollalgorithmus nutzt einen Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ für Signale mit einer Frequenz unter 0,6 Hz und einen Algorithmus vom Typ „Skyhook“ für Signale mit einer Frequenz über 5 Hz.
• Zwischen den beiden Frequenzbereichen von dem Bandpassfilter 36 mit einer schrittweisen Erhöhung des Algorithmus „Skyhook“ für ansteigende Frequenzen wird eine Hybridisierung der beiden Kontrollgesetze durchgeführt.
• Danach überträgt die Steuereinheit 28 überträgt das Kontrollsignal S2 an die Steuereinheit 30.
• Die Steuereinheit 30 empfängt das Kontrollsignal S2. Die Steuereinheit 30 überträgt das Steuersignal S3 an den zweiten Tiefpassfilter 40 und an den semiaktiven Stoßdämpfer 22, der die Dämpfungskraft, die dem Steuersignal S3 zugeordnet ist, am Wagenkasten 12 anwendet.
• Der zweite Tiefpassfilter 40 empfängt das Steuersignal S3 und mildert die hohen Frequenzen des Steuersignals S3.
• Danach überträgt der zweite Tiefpassfilter 40 das gefilterte Steuersignal S3 an das Parametriermodul 48.
• Das Parametriermodul 48 empfängt das gefilterte Steuersignal S3 und bestimmt den Wert des Dämpfungskoeffizienten c des idealen Stoßdämpfers 43 und den Wert der Ableitung des Dämpfungskoeffizienten c in Bezug auf die Verlagerungsgeschwindigkeit y. Bei der ersten Iteration, wobei das Fahrzeugs im Stillstand ist, sind der Wert des Dämpfungskoeffizienten c des idealen Stoßdämpfers 43 und der Wert der Ableitung des Dämpfungskoeffizienten c in Bezug auf die Verlagerungsgeschwindigkeit Null.
• Das Parametriermodul 48 überträgt das Parametriersignal S7 an das Rechenmodul 50.
• Der Detektor 32 misst die Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers 22 und überträgt die Verlagerungssignal S4 an den ersten Tiefpassfilter 38.
• Der erste Tiefpassfilter 38 empfängt das Verlagerungssignal S4 und mildert die hohen Frequenzen des Verlagerungssignals S4.
• Der erste Tiefpassfilter 38 überträgt dann das gefilterte Verlagerungssignal S4 an das Umleitungsmodul 46 und an das Rechenmodul 50.
• Das Umleitungsmodul 46 empfängt das gefilterte Verlagerungssignal S4 und bestimmt die Verlagerungsgeschwindigkeit des semiaktiven Stoßdämpfers 22 in Bezug auf das Drehgestell 16 auf der Basis des Verlagerungssignals S4.
• Das Umleitungsmodul überträgt dann das Geschwindigkeitssignal S6 an das Rechenmodul 50.
• Das Rechenmodul 50 empfängt das gefilterte Verlagerungssignal S4, das Geschwindigkeitssignal S6 und das Parametriersignal S7. Anfänglich sind die über das Parametriersignal S7 übertragenen Werte Null.
• Das Rechenmodul 50 bestimmt die Geschwindigkeit ẏ der relativen Verlagerung der Enden des idealen Stoßdämpfers 43 mittels des Maxwell-Modells.
• Das Rechenmodul 50 überträgt das Zustandssignal S5 an das Parametriermodul 48 und an die Steuereinheit 30.
• Das Parametriermodul 48 empfängt das Zustandssignal S5, wobei die Bestimmung des Wertes des Dämpfungskoeffizienten c des idealen Stoßdämpfers 43 und des Wertes der Ableitung des Dämpfungskoeffizienten c in Bezug auf die Verlagerungsgeschwindigkeit v auf der Basis des Zustandssignals S5 und der charakteristischen Kurve F(y) durchgeführt werden, die auf der Basis der experimentellen Messungen auf dem experimentellen Stoßdämpfer bestimmt wird.
• Die Steuereinheit 30 empfängt das Zustandssignal S5.
• Die Steuereinheit 30 bestimmt/ändert den Steuerstrom Ic auf der Basis des Zustandssignals S5. Da das Fahrzeug bei der ersten Iteration steht, ist das Zustandssignal S5 Null.
• Die Steuereinheit 30 überträgt den Steuerstrom Ic an den semiaktiven Stoßdämpfer 22 und an den Tiefpassfilter 40.
• Der semiaktive Stoßdämpfer 22 empfängt den Steuerstrom Ic und wendet die dem Steuerstrom Ic zugeordnete Dämpfungskraft an den Wagenkasten 12.
• Das oben beschriebene Verfahren wird periodisch wiederholt, um in Echtzeit das Verhalten des semiaktiven Stoßdämpfer 22 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen zu verändern.
• Allgemein bestimmt bei der Ausführungsform von 4 das Parametriermodul während einer bestimmten Iteration des Verfahrens beispielsweise das Signal S7 auf der Basis des Wertes des Zustandssignals S5 und des Wertes des Steuersignals S3 bei der vorangehenden Iteration.
• Allgemein bestimmt bei den Ausführungsformen der 3 und 4 die Modellierungseinheit 34 während einer bestimmten Iteration des Steuerverfahrens des Stoßdämpfers 22 beispielsweise das Zustandssignal S5 auf der Basis des Wertes des Steuersignals S3 bei der vorangehenden Iteration.
• Dank der oben beschriebenen Merkmale wird die Steuerung der Steuervorrichtung 24 des semiaktiven Stoßdämpfers 22 folgerichtig verbessert. Die Nutzung des theoretischen Modells erlaubt nämlich, eine charakteristische Zustandsvariable des semiaktiven Stoßdämpfers 22 zu bestimmen, die erlaubt, das Hystereseverhalten aufgrund der Steifigkeiten des semiaktiven Stoßdämpfers 22 durch eine präzise Kenntnis der Richtung und des Niveaus der Kraft zu berücksichtigen, die wirklich jederzeit durch den Stoßdämpfer angewendet wird. Dies ist bei den klassischen Strategien nicht der Fall, die sich damit begnügen, sich auf die an den Klemmen des Stoßdämpfers gemessene Geschwindigkeit zu beziehen. Ferner erlaubt die Nutzung eines Bandpassfilters 36 am Eingang der Kontrolleinheit 28 eine vorteilhafte Kombination der Kontrollgesetze „Acceleration Driven Damping“ und „Skyhook“. Die Dämpfungsvorrichtung 20 erlaubt eine optimale Dämpfung des Wagenkastens 12 durch Begrenzung des Phasenunterschieds zwischen der von dem semiaktiven Stoßdämpfer 22 tatsächlich angewendeten Kraft und der theoretischen Steuerkraft. Die Querschwingungen des Wagenkastens 12 werden somit erheblich verringert und damit wird der Komfort der Reisenden in dem Schienenfahrzeug 10 verbessert.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 0816141 [0004]

Claims (9)

1. Dämpfungsvorrichtung (20) eines Fahrzeugs (10), insbesondere eines Schienenfahrzeugs, umfassend: - einen semiaktiven Stoßdämpfer (22); und - eine Steuervorrichtung (24), die konfiguriert ist, um den semiaktiven Stoßdämpfer (22) zu steuern, wobei die Steuervorrichtung (24) umfasst: - einen Beschleunigungsmesser (26), der eingerichtet ist, die Querbeschleunigung des Fahrzeugs (10) zu messen und ein Beschleunigungssignal (S1) zu übertragen, umfassend die Messung der Querbeschleunigung; - eine Kontrolleinheit (28), die konfiguriert ist, um das Beschleunigungssignal (S1) zu empfangen, eine von dem semiaktiven Stoßdämpfer (22) auf der Basis des Beschleunigungssignals (S1) durchzuführende Sollkraft zu bestimmen, um die Querschwingungen des Fahrzeugs zu minimieren und ein Kraftsignal (S2) zu übertragen, das die Sollkraft umfasst; - eine Steuereinheit (30), die konfiguriert ist, um das Kraftsignal (S2) zu empfangen und ein Steuersignal (S3) als Funktion des Kraftsignals (S2) an den semiaktiven Stoßdämpfer (22) zu übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) ebenfalls umfasst: - einen Verlagerungsdetektor (32), der eingerichtet ist, die Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers (22) zu messen und ein Verlagerungssignal (S4) zu übertragen, das die Messung der Verlagerung umfasst; und - eine Modellierungseinheit (34), die konfiguriert ist, um das Steuersignal (S3) und das Verlagerungssignal (S4) zu empfangen, eine charakteristische Zustandsvariable der Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers (22) mittels eines theoretischen Modells des semiaktiven Stoßdämpfer (22) und Steuer- (S3) und Verlagerungssignalen (S4) zu bestimmen und ein Zustandssignal (S5), das die charakteristische Zustandsvariable umfasst, an die Steuereinheit (30) zu übertragen, wobei die Steuereinheit (30) geeignet ist, das Steuersignal (S3) ebenfalls auf der Basis des Zustandssignals (S5) zu bestimmen.
2. Dämpfungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei das theoretische Modell ein Maxwell-Modell ist, das einen idealen Stoßdämpfer (43) in Reihe mit einer idealen Feder (44) umfasst.
3. Dämpfungsvorrichtung (20) nach Anspruch 2, wobei die Modellierungseinheit (34) geeignet ist, den Dämpfungskoeffizienten (c) des idealen Stoßdämpfers (43) auf der Basis experimenteller Messungen der Kraft zu bestimmen, die von einem experimentellen Stoßdämpfer (43) erzeugt wird, analog zum semiaktiven Stoßdämpfer (22).
4. Dämpfungsvorrichtung (20) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die charakteristische Zustandsvariable die relative Verlagerungsgeschwindigkeit der Enden des idealen Stoßdämpfers (43) ist.
5. Dämpfungsvorrichtung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend einen Bandpassfilter (36), der konfiguriert ist, um das aus dem Beschleunigungsmesser (26) ausgehende Beschleunigungssignal (S1) zu filtern.
6. Dämpfungsvorrichtung (20) nach Anspruch 5, wobei der Bandpassfilter (36) konfiguriert ist, um die Frequenzen hindurchzulassen, die im Wesentlichen zwischen 0,25 Hz und 1,5 Hz liegen und die restlichen Frequenzen abzumildern.
7. Dämpfungsvorrichtung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kontrolleinheit (28) konfiguriert ist, um einen Hybridkontrollalgorithmus zu verwenden, wobei der Hybridkontrollalgorithmus aus einem Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ in Kombination mit einem Algorithmus vom Typ „Skyhook“ zusammengesetzt ist.
8. Dämpfungsvorrichtung (20) nach Anspruch 5 oder 6 und Anspruch 7, wobei der Bandpassfilter (36) ein Filter zweiter Ordnung mit unendlicher Impulsantwort ist und wobei die Kontrolleinheit konfiguriert ist, um: - den Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ auf Signale mit einer Frequenz unter 0,6 Hz anzuwenden, - den Algorithmus vom Typ „Skyhook“ auf Signale mit einer Frequenz über 5 Hz anzuwenden, - den Algorithmus vom Typ „Acceleration Driven Damping Control“ mit dem Algorithmus vom Typ „Skyhook“ auf Signale mit einer Frequenz zwischen 0,6 Hz und 5 Hz hybrid anzuwenden, mit einer schrittweisen Erhöhung des Gewichts des Algorithmus vom Typ „Skyhook“ mit der Frequenz.
9. Verfahren zur Steuerung eines semiaktiven Stoßdämpfers (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die folgenden Schritte: - Messen der Querbeschleunigung des Fahrzeugs (10) und Übertragen des Beschleunigungssignals (S1) durch den Beschleunigungsmesser (26); - Empfangen des Beschleunigungssignals (S1), Bestimmen der Sollkraft und Übertragen des Kraftsignals (S2) durch die Kontrolleinheit (28); - Empfangen des Kraftsignals (S2) und Übertragen des Steuersignals (S3) an den semiaktiven Stoßdämpfer (22) durch die Steuereinheit (30); - Messen der Verlagerung des semiaktiven Stoßdämpfers (22) und Übertragen des Verlagerungssignals (S4) durch den Detektor (32); - Empfangen des Verlagerungssignals (S4), Bestimmen der charakteristischen Zustandsvariablen und Übertragen des Zustandssignals (S5) durch die Modellierungseinheit (34); und - Empfangen des Zustandssignals (S5), Bestimmen des Steuersignals auf der Basis ebenfalls des Zustandssignals (S5) und Übertragen des Steuersignals (S3) an den semiaktiven Stoßdämpfer (22) durch die Steuereinheit (30).

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