DE19855310C2 - Aktives Federungssystem für Fahrzeuge - Google Patents
Aktives Federungssystem für FahrzeugeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein aktives Federungssystem für Fahr
zeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit zwischen Fahrzeugauf
bau und Fahrzeugrädern angeordneten Abstützaggregaten, die
jeweils ein aktiv hubverstellbares Stellorgan und eine dazu
in Reihe angeordnete passive Feder aufweisen, und mit automa
tischer Steuerung der Stellorgane, wobei jedem Abstützaggre
gat ein Weggeber zur Erzeugung eines mit der Hubstellung des
Abstützaggregates korrelierten Signales und dem Fahrzeugauf
bau eine Sensoranordnung zur Erzeugung von Signalen, die zu
mindest mit vertikalen Aufbaubeschleunigungen korreliert
sind, zugeordnet ist und zur Steuerung der Stellorgane die
nende Stellsignale einen durch die Signale der vorgenannten
Sensoranordnung erzeugten Signalanteil aufweisen.
Die DE 40 26 790 C1 zeigt ein rechnergesteuertes Federungssy
stem für Kraftfahrzeuge. Dabei wird ein von der Frequenz der
Federungshübe abhängiger Steuereingriff vorgenommen, derart,
daß bei der für eine Aufbauresonanz charakteristischen Fre
quenz eine verstärkte Dämpfung der Aufbaubewegungen auftritt.
Aus der DE 39 32 476 A1 ist ein Federungssystem bekannt, wel
ches hydropneumatische Feder- und Abstützaggregate aufweist,
bei denen die passive Feder durch einen pneumatischen Feder
speicher gebildet wird. Dieser Federspeicher ist mit einem
Kolbenarbeitsraum eines zwischen gefederter und ungefederter
Masse angeordneten Kolben-Zylinder-Aggregates hydraulisch
verbunden, wobei das durch die hydraulische Verbindung gebil
dete "hydraulische Gestänge" durch Zu- bzw. Abfuhr von hy
draulischem Medium verlängert bzw. verkürzt werden kann. Die
Stellsignale für die Stellorgane umfassen unter anderem An
teile, die durch die Längs- und Querbeschleunigung des Auf
baus bestimmt werden, sowie weitere Anteile, welche vom Hub
weg der ungefederten Masse relativ zur, gefederten Masse sowie
von der Vertikalbeschleunigung der gefederten Masse abhängen.
Nach der EP 0 395 114 A1 ist bei einem hydropneumatischen Fe
derungssystem vorgesehen, die Federungsaggregate im Sinne ei
nes Wank- bzw. Nickausgleiches zu steuern, wobei Nick- bzw.
Wankbewegungen des Aufbaus bzw. zu entsprechenden Aufbaubewe
gungen führende Kräfte durch aufbauseitige Sensoren für
Längs- und Querbeschleunigung erfaßt werden.
Die DE 42 31 641 A1 sowie die DE 44 14 022 A1 zeigen aktive
Federungssysteme, bei denen eine passive mechanische Feder in
Reihe zu einem hydraulischen Stellaggregat angeordnet ist,
d. h. das "hydraulische Gestänge" ist nach diesen Druckschriften
mit einer mechanischen Feder kombiniert.
Gemäß der DE 196 15 737 A1 werden bei einem aktiven Fede
rungssystem eines Kraftfahrzeuges Aufbaubeschleunigungen er
faßt, um daraus ein Maß für die Verformung der Reifen zu er
mitteln. Auf diese Weise kann ein vergleichsweise genaues Maß
des Bodenabstandes des Aufbaus ermittelt werden, indem einer
seits die Abstände zwischen Aufbau und Fahrzeugrädern und an
dererseits die Zustände der Reifenfedern berücksichtigt wer
den. Im Ergebnis kann ein realistischer Wert des Bodenabstan
des als Führungsgröße bei der Regelung des Federsystems ein
gesetzt werden.
Im übrigen ist es beispielsweise aus der DE 43 03 160 A1 be
kannt, bei Fahrzeugen zwischen Aufbau und Rad jeweils ledig
lich einen aktiven Krafterzeuger, ohne in Reihe dazu angeord
nete passive Feder, anzuordnen und die Steuerung in Abhängig
keit von zu überwachenden Parametern durch einen Soll-
Istwert-Vergleich vorzunehmen. Bei derartigen Systemen muß
eine außerordentlich hohe Reaktionsfähigkeit der Krafterzeu
ger sowie der Regelstrecken gegeben sein. Andernfalls würde
sich ein unkomfortables Federungsverhalten ergeben.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein aktives Federungssystem
zu schaffen, bei dem auf Aufbaubeschleunigungen in besonderer
Weise reagiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
von der Sensoranordnung für die Aufbaubeschleunigungen be
wirkter Signalanteil für höherfrequente Anteile der vertika
len Aufbaubeschleunigungen oberhalb einer Grenzfrequenz eine
die jeweilige Aufbaubeschleunigung vermindernde Verstellung
der Stellorgane und für niederfrequente Anteile der Aufbaube
schleunigung - unterhalb der gleichen oder einer anderen Grenz
frequenz - eine betragsmäßig verminderte oder verschwindende
und/oder eine entgegengesetzte Verstellung der Stellorgane
bewirkt.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, Aufbaube
schleunigungen unter Berücksichtigung ihres Frequenzspektrums
zu verarbeiten. Dabei wird die Tatsache berücksichtigt, daß
höherfrequente Anteile der Aufbaubeschleunigungen zu einem
erheblichen Teil durch Fahrbahnunebenheiten mit kurzer Raum
wellenlänge verursacht werden, während die sehr niederfre
quenten Anteile der Aufbaubeschleunigungen vornehmlich durch
Fahrbahnkonturen mit sehr großer Raumwellenlänge bzw. durch
Kurven des Fahrweges, Seitwärtsgefälle des Fahrweges im Be
reich von Kurven u. dgl. verursacht werden.
Durch die fre
quenzabhängige Berücksichtigung der Aufbaubeschleunigungen
kann einerseits ein guter Komfort erreicht werden, indem bei
höherfrequenten Aufbaubewegungen eine komfortbetonte Nachgie
bigkeit der Federung gewährleistet werden kann. Andererseits
wird mit der Erfindung eine sichere Handhabung des Fahrzeuges
gewährleistet, indem durch langweilige Fahrbahnkonturen ver
ursachte Aufbaubewegungen nicht bzw. nur in verringertem Maße
oder durch Verstellung in entgegengesetzter Richtung gemildert werden, so daß der Fahrzeugaufbau eine vorgegebene
Sollage relativ zur gemittelten Fahrbahnkontur vergleichswei
se stabil einhalten kann.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin
dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der
Zeichnung verwiesen, anhand der zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung beschrieben werden.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung eines
Abstützaggregates,
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung eines Fahrzeuges
mit erfindungsgemäßem Federungssystem und
Fig. 3 ein Blockschaltbild der automatischen Steuerung für
die hubverstellbaren Stellorgane der Abstützaggre
gate.
Gemäß Fig. 1 ist zwischen einem Rad 1 und dem Aufbau 2 eines
Fahrzeuges ein Abstützaggregat 3 angeordnet, welches jeweils
eine passive Feder 4 sowie ein dazu in Reihe angeordnetes Hy
draulikaggregat 5 aufweist. Mittels des Hydraulikaggregates 5
läßt sich das aufbauseitige Widerlager der Feder 4 relativ
zum Aufbau 2 vertikal verstellen.
Parallel zur Feder 4 ist ein Dämpfer 6 angeordnet. Dieser ist
gemäß Fig. 1 zwischen Rad 1 und Aufbau 2 vorgesehen. Grund
sätzlich ist es jedoch auch möglich, diesen Dämpfer 6 zwi
schen Rad 1 und Hydraulikaggregat 5 parallel zur Feder 4 an
zuordnen. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung des Dämpfers 6
bietet die Möglichkeit, den Dämpfer 6 mit größerer Länge aus
zubilden. Bei einer Anordnung des Dämpfers 6 zwischen Rad 1
und Hydraulikaggregat 5 ist vorteilhaft, daß das Hydraulikag
gregat 5 bei einer Verstellung nicht gegen den Widerstand des
Dämpfers 6 arbeiten muß.
Das Hydraulikaggregat 5 ist über eine Steuerventilanordnung 7
steuerbar mit einer hydraulischen Druckquelle 8 verbunden.
Dabei kann es sich beispielsweise um einen Druckspeicher han
deln, der von einer nicht dargestellten Pumpe regelmäßig
nachgeladen wird.
Die Steuerventilanordnung 7 wird mittels einer elektronischen
Regelschaltung 10 in weiter unten dargestellter Weise betä
tigt.
Gemäß Fig. 2 ist jedem Rad 1 bzw. jedem Abstützaggregat 3 ein
Weggeber 11 zugeordnet, dessen Signal mit dem Abstand zwi
schen dem jeweiligen Rad 1 und dem Aufbau 2 korreliert ist.
Die Weggeber 11 können konstruktiv in beliebiger Weise ausge
bildet sein. Beispielsweise können Hubsensoren vorgesehen
sein, die unmittelbar den Abstand zwischen Mitte des Rades 1
und Aufbau 2 erfassen. Statt dessen können auch Winkelgeber
vorgesehen sein, die beispielsweise den Schwenkwinkel eines
zur Radführung dienenden Lenkers relativ zum Aufbau 2 erfas
sen. Das Maß eines solchen Schwenkwinkels ist ein Maß für den
Abstand zwischen Rad 1 und Aufbau 2.
Am Fahrzeugaufbau 2 sind mehrere Beschleunigungssensoren 12
vorgesehen, durch die aufbauseitige Vertikalbeschleunigungen
erfaßt werden können. Damit kann die Regelschaltung 10 be
schleunigte Hubbewegungen des Fahrzeugaufbaus ermitteln und
gegebenenfalls auch beschleunigte Nick- bzw. Wankbewegungen,
d. h. Rotationsbewegungen des Fahrzeugaufbaus 2 um dessen
Quer- bzw. Längsachse. Zusätzlich können Sensoren 13 und 14
unmittelbar Längs- und Querbeschleunigungen des Fahrzeugauf
baus 2 registrieren.
Im Ergebnis stehen damit Signale für Beschleunigungen des
Aufbaus in Längs-, Quer- und Vertikalrichtung sowie für be
schleunigte Drehbewegungen bezüglich der Längs-, Quer- und
Hochachse zur Verfügung.
Nach Fig. 3 werden die Signale der Sensoren 12 für die Verti
kalbeschleunigung des Fahrzeugaufbaus 2 von einer Schaltungs
einheit 15 verarbeitet, derart, daß ausgangsseitig dieser
Einheit 15 Signale für die Hubbeschleunigung, die Nickbe
schleunigung sowie die Wankbeschleunigung des Aufbaus 2 vor
liegen. Diese Signale werden einerseits einem Verstärker 16
und andererseits einem dazu parallel angeordneten Tiefpaßfil
ter 17 zugeführt. Dabei arbeitet der Verstärker 16 mit ne
giertem Ausgang, derart, daß die Ausgangssignale von Verstär
ker 16 und Tiefpaßfilter 17 von einer nachgeschalteten Sum
mierschaltung 18 im Sinne einer Subtraktion miteinander ver
knüpft werden.
Wenn eine Aufbaubeschleunigung in Aufwärtsrichtung vorliegt,
repräsentieren die Ausgangssignale des Verstärkers 16 einen
Befehl zur Verkürzung eines oder mehrere der Hydraulikaggre
gate 5. Im Falle einer Aufbaubeschleunigung in Abwärtsrich
tung stellen die Ausgangssignale des Verstärkers 16 Befehle
zur Verlängerung eines oder mehrerer der Hydraulikaggregate 5
dar. Im Ergebnis können die vorgenannten Steuersignale als
Steuerbefehle zur Verminderung bzw. Dämpfung aufbauseitiger
Vertikalbeschleunigungen aufgefaßt werden.
Die Ausgangssignale des Tiefpaßfilters 17 stellen zu den Aus
gangssignalen des Verstärkers 16 inverse Befehle dar, die al
lerdings aufgrund der Tiefpaßwirkung des Filters 17 nur für
niederfrequente Anteile der Aufbaubeschleunigung erzeugt wer
den.
Wenn die Ausgangssignale von Verstärker 16 und Tiefpaßfilter
17 in der Summierschaltung 18 miteinander verknüpft werden,
ergeben sich also ausgangsseitig der Summierschaltung 18 fre
quenzabhängig modulierte Signalanteile, mit dem Ergebnis, daß
eine entsprechend frequenzabhängige Dämpfung von vertikalen
Aufbaubeschleunigungen ermöglicht wird. Dabei wird durch die
Elemente 16, 17 und 18 bestimmt, ab welcher Frequenz vertikale
Aufbaubeschleunigungen bei der Regelung der Stellaggregate 5
berücksichtigt werden bzw. eine erhöhte Rolle spielen.
Die Ausgangssignale der Schaltungseinheit 15 werden außerdem
einer Summierschaltung 19 zugeführt, der auch die Signale der
Sensoreanordnungen 13 und 14 für die Quer- und Längsbeschleu
nigung des Fahrzeugaufbaus zugeführt werden. Ausgangsseitig
der Summierschaltung 19 liegen damit Signale vor, die die auf
den Aufbau 2 einwirkenden äußeren Kräfte widerspiegeln, so
lange Bewegungen der Nutzlast oder der Insassen des Fahrzeu
ges bei der Fahrt vernachlässigt werden können. Diese äußeren
Kräfte müssen bei einem Straßenfahrzeug praktisch vollständig
an den Rädern 1 wirksam werden und zu einer analogen Einfede
rung bzw. Verspannung der Reifen bzw. Reifenfedern 1' der Rä
der 1 führen.
Mittels einer Schaltungseinheit 20 können nun die Ausgangs
signale der Summierschaltung 19 in solche Signale transfor
miert werden, die den Einfederzustand der Reifenfedern 1' wie
dergeben.
Diese Signale werden einer Summierschaltung 21 zugeführt und
dort mit den Signalen der Weggeber 11 derart verknüpft, daß
ausgangsseitig Signale vorliegen, welche mit den Bodenabstän
den des Aufbaus 2 an den jeweiligen Rädern 1 korreliert sind.
In ihrer Gesamtheit stellen diese Signale also eine Informa
tion über die Lage des Fahrzeugaufbaus 2 relativ zur Fahrbahn
dar.
In der Schaltungseinheit 22 werden diese Signale so transfor
miert, daß ausgangsseitig Signale zur Verfügung stehen, wel
che mit dem Istwert des mittleren Bodenabstandes des Fahr
zeugaufbaus 2, dem Istwert des Wankwinkels sowie dem Istwert
des Nickwinkels des Fahrzeugaufbaus 2 gekoppelt sind.
Die vorgenannten Signale werden nun einer Summierschaltung 23
zugeführt, die von Sollwertgebern 24 Sollwertsignale für den
mittleren Bodenabstand sowie den Nick- und den Wankwinkel des
Aufbaus 2 erhält und einen Soll-Istwert-Vergleich durchführt.
Damit erzeugt die Summierschaltung 23 ausgangsseitig Signale,
welche die Soll-Istwert-Abweichungen der Ist-Lage des Fahr
zeugaufbaus 2 gegenüber dessen Sollage repräsentieren.
Die Ausgangssignale der Summierschaltung 23 werden dann in
einer Schaltungseinheit 25 im Sinne einer Proportional-
Integral-Regelung verarbeitet.
Die Ausgangssignale der Schaltungseinheit 25 werden in der
Summierschaltung 18 mit den Ausgangssignalen des Verstärkers
16 sowie des Tiefpaßfilters 17 kombiniert, so daß ausgangs
seitig der Summierschaltung 18 eine Signalgesamtheit zur Ver
fügung steht, die einerseits die gewünschten Gegenmaßnahmen
gegen Aufbaubewegungen relativ zum einem erdfesten Bezugssy
stem sowie andererseits Gegenmaßnahmen zum Ausgleich von Auf
baubeschleunigungen umfaßt.
Die Ausgangssignale der Summierschaltung 18 können ein Tief
paßfilter 26 durchlaufen, um zu vermeiden, daß durch Motorvi
brationen oder durch Unwuchten der Räder 1 od. dgl. bewirkte
Aufbauschwingungen bei Erzeugung der Stellsignale für die
Steuerventilanordnungen 7 berücksichtigt werden.
Hinter dem Tiefpaßfilter 26 ist bevorzugt eine weitere Sum
mierschaltung 27 angeordnet, der zusätzlich zu den Ausgangs
signalen des Tiefpaßfilters 26 die Ausgangssignale einer Dif
ferenzieranordnung 28 zugeführt werden, welche eingangsseitig
die Ausgangssignale der Summierschaltung 19 erhält. Dement
sprechend repräsentieren die Ausgangssignale der Differen
zieranordnung 28 die Änderung derjenigen Signale, die mit den
auf den Aufbau 2 wirkenden äußeren Kräften und Momenten korr
liert sind.
Die Ausgangssignale der Summierschaltung 27 enthalten dement
sprechend Signalanteile, die durch Bewegungsgeschwindigkeiten
des Aufbaus 2 vorgegeben sind. Außerdem umfassen die Aus
gangssignale der Summierschaltung 27 Signalanteile, die durch
die auf den Aufbau wirkenden äußeren Momente und Kräfte be
stimmt werden. Schließlich sind Signalanteile vorhanden, die
durch die Abweichung der Ist-Lage des Aufbaus relativ zum Bo
den gegenüber einer entsprechenden Sollage vorgegeben werden.
Diese Signale werden nun einer Endstufe 29 zugeführt und dort
in elektrische Steuerströme für die Stellmagnete der Steuer
ventilanordnungen 7 der Räder 1 des Fahrzeuges umgesetzt.
Gegebenenfalls kann vorgesehen sein, Stellbewegungen der Hy
draulikaggregate 5 zum Ausgleich von Wankbewegungen des Auf
baus 2 an den Vorder- und Hinterrädern des Fahrzeuges unter
schiedlich zu steuern.
Vorzugsweise erzeugt die Schaltungseinheit 22 auch Signale,
die mit den Bodenabständen des Aufbaus 2 an einander diagonal
gegenüberliegenden Rädern 1 (z. B. rechtes Vorderrad und lin
kes Hinterrad) korreliert sind. Diese Signale stellen eine
Information über die Größe und Richtung der Verspannung des
Ausbaus 2 dar. Diese Signale werden dann von der Endstufe 29
beim Wankausgleich berücksichtigt, d. h. wenn die Stellaggre
gate 5 zum Ausgleich von Drehbewegungen des Aufbaus 2 um des
sen Längsachse angesteuert werden.
Gegebenenfalls kann die Endstufe 29 beim Wankausgleich die
Stellaggregate 5 so ansteuern, daß die zum Wankausgleich vor
gesehenen Stützkräfte in - vorzugsweise parameterabhängig -
vorgebbarer Weise auf Vorder- und Hinterräder des Fahrzeuges
aufgeteilt werden.
Claims (5)
1. Aktives Federungssystem für Fahrzeuge, insbesondere Kraft
fahrzeuge, mit zwischen Fahrzeugaufbau (2) und Fahrzeugrädern
(1) angeordneten Abstützaggregaten (3), die jeweils ein aktiv
hubverstellbares Stellorgan (5) und eine dazu in Reihe ange
ordnete passive Feder (4) aufweisen, und mit automatischer
Steuerung (10) der Stellorgane (5), wobei jedem Abstützaggre
gat (3) ein Weggeber (11) zur Erzeugung eines mit der Hub
stellung des Abstützaggregates (3) korrelierten Signales und
dem Fahrzeugaufbau (2) eine Sensoranordnung (12, 13, 14) zur
Erzeugung von Signalen, die zumindest mit vertikalen Aufbau
beschleunigungen korreliert sind, zugeordnet ist und zur
Steuerung der Stellorgane (5) dienende Stellsignale einen
durch die Signale der vorgenannten Sensoranordnung (12, 13, 14)
erzeugten Signalanteil aufweisen, wobei dieser Signalanteil
für höherfrequente Anteile der vertikalen Aufbaubeschleuni
gungen oberhalb einer Grenzfrequenz eine die jeweilige Aufbaube
schleunigung vermindernde Verstellung der Stellorgane (5) und
für niederfrequente Anteile der Aufbaubeschleunigung eine be
tragsmäßig verminderte, verschwindende und/oder entgegenge
setzte Verstellung der Stellorgane (5) bewirkt.
2. Federungssysten nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Signale, welche Beschleunigungen, insbesondere Vertikal
beschleunigungen, des Aufbaus (2) wiedergeben, einem Verstär
ker (16) sowie einem dazu parallelen Tiefpaßfilter (17) zuge
führt und die Ausgangssignale von Verstärker (16) und Tief
paßfilter (17) miteinander subtraktiv verkoppelt werden.
3. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß Verstärker (16) und Tiefpaßfilter (17) gleiche Verstär
kungsfaktoren aufweisen.
4. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstärker (16) einen größeren Verstärkungsfaktor als
das Tiefpaßfilter (17) aufweist.
5. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2
dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstärker (16) einen geringeren Verstärkungsfaktor
als das Tiefpaßfilter (17) aufweist.
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