DE4133237A1 - System zur fahrwerkregelung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein System zur Fahrwerkregelung, insbeson
dere von Personen- und Nutzkraftwagen, nach Gattung des Hauptan
spruchs.
Wesentlich für die Ausgestaltung des Fahrwerks eines Kraftfahrzeugs
ist ein leistungsfähiges Federungs- und/oder Dampfungssystem. Hier
bei ist zum einen der Fahrsicherheit Rechnung zu tragen und zum an
deren ist es erstrebenswert, den Insassen bzw. einer stoßempfindli
chen Zuladung des Fahrzeugs einen möglichst hohen Reisekomfort zu
ermöglichen. Hohe Sicherheitsanforderungen einerseits und hoher
Fahrkomfort andererseits sind bei der Ausgestaltung eines Fahrwerks
sich widerstrebende Zielsetzungen. Bei den heute noch überwiegend
benutzten Fahrwerken ist ein hoher Reisekomfort durch eine möglichst
weiche Fahrwerkeinstellung zu erreichen, während hinsichtlich einer
hohen Fahrsicherheit eine möglichst harte Fahrwerkeinstellung er
wünscht ist.
Um diesen Zielkonflikt bei der Auslegung eines Fahrwerks zu lösen,
geht man von den bisher noch überwiegend benutzten passiven über zu
verstellbaren, adaptiven oder in einem weiteren Schritt zu regelba
ren, aktiven bzw. semiaktiven Fahrwerken. Ein passives Fahrwerk wird
je nach prognostiziertem Gebrauch des Fahrzeugs, beim Einbau ent
weder tendenziell hart (sportlich) oder tendenziell weich (komfor
tabel) ausgelegt. Eine Einflußnahme auf die Fahrwerkcharakteristik
ist während des Fahrbetriebs bei diesen Systemen nicht möglich. Bei
adaptiven Fahrwerken kann die Charakteristik des Fahrwerks während
der Fahrt durch eine (in der Regel stufenweise erfolgende) Änderung
der Dämpfer- und/oder Federwerte je nach Fahrsituation geändert
werden. Das Verhalten entspricht dabei in jeder Einstellung momentan
demjenigen eines passiven Fahrwerks. Im Gegensatz zu solchen passi
ven bzw. adaptiven Fahrwerken ermöglichen erst aktive bzw. semiak
tive Fahrwerke es, gleichzeitig eine höhere Fahrsicherheit und einen
höheren Fahrkomfort darzustellen. Dies geschieht dadurch, daß zu
jedem Zeitpunkt näherungsweise optimale Kräfte beispielsweise von
aktiven bzw. semiaktiven Dämpfern erzeugt werden, die sich aus einem
Regelgesetz infolge gemessener bzw. berechneter Bewegungsgrößen des
Fahrzeugs ergeben. Bei derartigen aktiven bzw. semiaktiven Fahr
werken kann die Charakteristik des Federungs- und/oder
Dämpfungs-Systems durch Anpassung der Parameter (Verstärkungen, Zeitkonstan
ten, Schwellwerten) oder der Struktur des Regelgesetzes ebenfalls
während des Fahrbetriebs je nach Fahrzustand beeinflußt werden,
wobei das resultierende Verhalten in jeder Einstellung nicht not
wendig demjenigen eines passiven Fahrzeugs entspricht. Es ist mit
aktiven bzw. semiaktiven Fahrwerken beispielsweise möglich, unter
schiedliche Bewegungsfrequenzen gleichzeitig unterschiedlich zu be
dämpfen, indem beispielsweise eine Skyhookdämpfung, das heißt eine
Dämpfung der Bewegungen des Fahrzeugaufbaus, und/oder eine frequenz
abhängige Dämpfung der Radbewegungen im Regelgesetz implementiert
werden.
Zur Auslegung von solchen aktiven bzw. semiaktiven Fahrwerken ist es
beispielsweise bekannt, zwischen den Radeinheiten bzw. den Achsen
und dem Fahrzeugaufbau Federungssysteme parallel mit Dämpfungssy
stemen zu schalten. Ein aktiver Dämpfer weist beispielsweise einen
Zylinder auf, der mittels eines Kolbens in zwei Arbeitskammern
unterteilt ist. Durch eine aktive Druckmitteleinspeisung oder ein
Ablassen des Druckmittels können die Dämpfereigenschaften gesteuert
werden, das heißt daß eine beliebige Kraft zwischen den Radeinheiten
und dem Fahrzeugaufbau aufgebracht werden kann. Alternativ ist es
bei den sogenannten semiaktiven Systemen möglich, die Dämpfungsei
genschaften beispielsweise durch einen im Querschnitt steuerbaren
Bypass zu variieren. Beispielsweise kann der Kolben ein im Durchlaß
querschnitt steuerbares Ventil aufweisen. Bei den sogenannten semi
aktiven Dämpfungssystemen erfolgt keine aktive Beaufschlagung des
Systems mit Druckmittel.
In dem Aufsatz von W. Klinkner ("Adaptives Dämpfungs-System ADS zur
fahrbahn- und fahrzustandsabhängigen Steuerung von Dämpfern einer
Fahrzeugfederung", VDI Bericht Nr. 778, Düsseldorf, 1989) werden
Dämpfereinstellungen eines adaptiven Fahrwerks in Abhängigkeit von
statischen Kenngrößen, welche den Charakter der Fahrbahn beschrei
ben, angepaßt. Hierzu werden die Signale eines Aufbau- und eines
Radbeschleunigungssensors verwendet. In dem Aufsatz wird eine fre
quenzmäßig getrennte Aufbereitung der erfaßten Fahrbahnunebenheiten
in verschiedenen Frequenzbereichen vorgeschlagen, wofür mehrere
parallelgeschaltete Filter eingesetzt werden. Nachteilig an einem
solchen System ist der hohe Aufwand zum einen hinsichtlich der
Sensorik und zum anderen hinsichtlich der Filter. Weiterhin ist
keine optimale Anpassung dieses Regelsystems an unterschiedliche
Fahrzustände möglich.
Der Aufsatz von D.Konik ("Berechnung unbekannter Eingangssignale aus
Meßsignalen am Beispiel der Unebenheitsermittelung", at-Automati
sierungstechnik 39 (1991) 6 Seiten 205-210) beschäftigt sich mit der
Berechnung unbekannter Eingangssignale aus den Meßsignalen eines
Systems. Dabei wird das Straßenprofil mit Hilfe von Signalen, die
die Beschleunigung des Fahrzeugaufbaus repräsentieren, und Signalen,
die den Relativweg zwischen dem Fahrzeugaufbau und den Rädern re
präsentieren, anhand des Entwurfs eines inversen Systems berechnet.
In der WO 90/14 240 (PCT/DE 90/00 343) wird ein Verfahren zur Fahr
werkregelung von Fahrzeugen vorgestellt, bei dem die Fahrwerkcha
rakteristik in Abhängigkeit von der Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquer
dynamik verändert werden. Dies erfolgt durch eine entsprechende
Variation der Reglerparameter. Hierdurch wird die jeweilige Übertra
gungsfunktion des Reglers der Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerdynamik
angepaßtß so daß bei unkritischen Fahrzuständen der größtmögliche
Komfort und bei kritischen Fahrzuständen eine der Sicherheit dienen
de, straffe Fahrwerkabstimmung vorliegt. Durch das hier beschriebene
System ist aber eine umfassende Optimierung der Reglerparameter an
weitere Bewegungszustände des Fahrzeugs nicht zu erreichen.
In der Veröffentlichung "Computer controlled shocks smooth ride of
GM luxury cars", Automotiv News, 3.9.1990, wird bei einem Fahrwerk,
dessen Dämpfungseigenschaften adaptiv verstellbar ausgelegt sind,
die härteste Dampfung dann eingestellt wenn starke Beschleunigun
gen, hartes Bremsen oder starke Lenkeinschläge sensiert werden.
Diese Kenngrößen, die den Fahrstil des Fahrers beschreiben, führen
also zu einer harten, sportlichen Fahrwerkeinstellung. Hierdurch ist
zwar im beschränkten Maße eine Anpassung der Fahrwerkeinstellung an
den Fahrstil des Fahrers möglich, eine differenzierte Bewertung der
Einflüsse des Fahrstils im Zusammenhang mit anderen Einflußgrößen
auf den Fahrzustand des Fahrzeugs ist bei diesem System nicht ver
wirklicht.
Schließlich wird in dem Artikel "Automotive Engineer" Vol.12, No. 6,
Dezember 1987, auf der Seite 40 in der rechten Spalte in den Zei
len 25 bis 36 ein Fahrwerkregelungssystem vorgestellt, bei dem die
Umstellung der Dämpferparameter in Abhängigkeit von der Fahrzeugge
schwindigkeit und von Beschleunigungs- und Lenkmanövern stattfindet.
Auch bei diesem System ist durch die bloße Umstellung von Dämpfungs
parametern kein optimales Ergebnis hinsichtlich der Fahrwerkregelung
zu erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein aktives oder semi
aktives Fahrwerkregelungssystem zu entwerfen, das die verschie
densten Fahrzustände berücksichtigt.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen System zur Fahrwerkregelung werden die
Regelparameter des Regelkreises eines aktiven oder semiaktiven Fahr
werkregelsystems zur Regelung der Fahrwerkeigenschaften in Abhängig
keit von dem sensorisch ermittelten Fahrzustand des Fahrzeugs ver
ändert. Hierbei wird insbesondere dem vertikaldynamischen Bewegungs
zustand des Fahrzeugs und/oder dem individuellen Fahrstil des
Fahrers Rechnung getragen. Hierzu werden Größen ermittelt, die den
vertikaldynamischen Bewegungszustand des Fahrzeugs und/oder den
individuellen Fahrstil des Fahrers repräsentieren. Durch die Vari
ation der Regelparameter wird das jeweilige Übertragungsverhalten
des Regelkreises zur Regelung der Fahrwerkeigenschaften dem ermit
telten Fahrzustand angepaßt.
Insbesondere werden die Größen, die die Vertikaldynamik des Fahr
zeugs repräsentieren, aus den sensorisch erfaßten Relativbewegungen
zwischen dem Fahrzeugaufbau und wenigstens einer Radeinheit ermit
telt. Die Größen, die den Fahrstil des Fahrers repräsentieren, kön
nen Effektivwerte und/oder Spitzenwerte der geschätzten und/oder ge
messenen Fahrzeuglängsbeschleunigung, der Fahrzeugquerbeschleuni
gung, der Fahrzeugquergeschwindigkeit, der Lenkwinkelgeschwindig
keit, der Drosselklappenstellung, der Drosselklappenänderungsge
schwindigkeit, der Motordrehzahl und/oder der Motordrehzahlände
rungsgeschwindigkeit sein.
Für Fahrzeuge mit automatischen Getrieben können die Größe, die den
individuellen Fahrstil des Fahrers repräsentieren, statistische
Kenngrößen sein, welche die Getriebestellung, insbesondere die Häu
figkeit und die Geschwindigkeit von Gangwechseln, beschreiben.
Darüberhinaus kann der Fahrstil des Fahrers durch die Betätigung der
Drosselklappen- und/oder Bremslichtschalter beschrieben werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems
werden als Größen, die den vertikaldynamischen Bewegungszustand des
Fahrzeugs repräsentieren, statistische Kenngrößen ermittelt, die
näherungsweise die Eigenschaften der Fahrbahn statistisch beschrei
ben. Weiterhin können Effektivwerte und/oder Spitzenwerte des Ein
federweges, der Einfedergeschwindigkeit und/oder der Einfederbe
schleunigung zur Ermittlung des vertikaldynamischen Bewegungszu
stands des Fahrzeugs herangezogen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, den vertikaldynamischen Bewegungszu
stand des Fahrzeugs aus den Effektivwerten und/oder Spitzenwerten
der geschätzten Radlastvariationen wenigstens eines Rades zu bestim
men.
Zu einer umfassenden Fahrwerkregelung ist als weitere Ausgestaltung
vorgesehen, ergänzend zur Erfassung des vertikaldynamischen Bewe
gungszustands des Fahrzeugs und/oder des individuellen Fahrstils des
Fahrers die Längs- und/oder Querdynamik des Fahrzeugs zur Variation
der Regelparameter heranzuziehen.
Bei dem erfindungsgemäßen System werden die Signale der zur Fahr
werkregelung üblichen Sensoren und/oder die Signale von anderen
elektrischen oder elektronischen Fahrzeugteilsystemen derart verwen
det, daß durch eine spezielle Verarbeitung dieser Sensorsignale eine
umfassende Analyse des Fahrzustands des Fahrzeugs getätigt werden
kann. Abhängig vom Fahrzustand werden erfindungsgemäß die Regler
parameter des Systems an den jeweiligen Fahrzustand angepaßt. Hier
durch ergeben sich verbesserte Möglichkeiten der Anpassung des
Reglers an die unterschiedlichsten Fahrverhalten des Fahrzeugs.
Durch die Rekonstruktion von Fahrbahnprofilen aus den Signalen von
Einfederweg- und/oder Einfedergeschwindigkeitssensoren auf der
Grundlage eines einfachen Fahrzeugmodells ist ein gegenüber anderen
bekannten Lösungen stark vereinfachtes Sensorschema möglich, wobei
gleichzeitig der benötigte Rechenaufwand vertretbar gering bleibt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen darge
stellt und wird in der nachstehenden Beschreibung näher erläutert.
In diesem Ausführungsbeispiel soll anhand des Blockschaltbilds der
Fig. 1 das erfindungsgemäße System zur Regelung eines Fahrwerks
aufgezeigt werden.
In der Fig. 1 sind mit den Positionen 101 bis 104 Meß- und Auswer
teeinrichtungen bezeichnet. Die Position 101 stellt dabei eine erste
Einrichtung zur Messung und Auswertung des vertikaldynamischen Be
wegungszustands des Fahrzeugs dar. Mit der Position 102 ist eine
zweite Einrichtung zur Messung und Auswertung des Fahrstils des
Fahrers gekennzeichnet, während die Position 103 für eine dritte
Einrichtung zur Messung und Auswertung der Längsdynamik des Fahr
zeugs steht. Die Position 104 weist eine vierte Einrichtung zur
Messung und Auswertung der Querdynamik des Fahrzeugs aus. Die
Position 105 markiert eine Auswahllogik, die Position 106 Tabellen
speicher und die Position 107 eine Reglereinrichtung. Die Positionen
111 bis 115 zeigen Erfassungseinrichtungen. Mit der Position 111
sind erste Mittel zur Erfassung des Einfederweges, der Einfederge
schwindigkeit und/oder der Einfederbeschleunigung bezeichnet. Die
Position 112 stellt zweite Mittel zur Erfassung der Fahrzeuglängsbe
schleunigung, der Fahrzeugquerbeschleunigung, der Fahrzeuggierge
schwindigkeit, der Lenkwinkelgeschwindigkeit, der Drosselklappen
stellung, der Drosselklappenänderungsgeschwindigkeit, der Motordreh
zahl und/oder der Motordrehzahländerungsgeschwindigkeit dar. Mit der
Position 113 sind dritte Mittel zur Erfassung der Fahrzeuglängsge
schwindigkeit gekennzeichnet. Die Position 114 steht für vierte
Mittel zur Erfassung der Giergeschwindigkeit, der Fahrzeugquerbe
schleunigung, des Lenkwinkels und/oder der Lenkwinkelgeschwindig
keit. Die Position 115 weist fünfte Mittel zur Erfassung der Aufbau
beschleunigung und/oder der Aufbaugeschwindigkeit des Fahrzeugs aus.
Die Positionen 120 zeigen Aktuatoren.
Im folgenden soll nun im einzelnen auf die Erfassung und die Berück
sichtigung verschiedener Anteile des Fahrzustands des Fahrzeugs
durch die Meß- und Auswerteinrichtungen 101 bis 104 und die dazuge
hörigen Erfassungseinrichtungen 111 bis 115 eingegangen werden.
Hierzu soll zunächst die Berücksichtigung des vertikaldynamischen
Bewegungszustands des Fahrzeugs durch die erste Einrichtung 101 dar
gelegt werden.
Ausgehend von dem Signal mindestens eines zwischen einem Rad und dem
Aufbau eines Fahrzeugs angeordneten Einfederweg- oder Einfederge
schwindigkeitssensors können durch geeignete analoge oder digitale
Signalaufbereitung (Differentiation, Integration Filterung) zumin
dest näherungsweise folgende Signale ermittelt werden:
Die Effektivwerte und/oder Spitzenwerte des Einfederwegs S, der Ein
federgeschwindigkeit V und der Einfederbeschleunigung A.
Zur Bildung des Effektivwerts der obengenannten Größen können die
Betragswerte der genannten Signale jeweils analog oder digital ge
bildet werden (Gleichrichtung). Durch anschließende Tiefpaßfilterung
erhält man einen Schätzwert für den Effektivwert. Werden die berück
sichtigten Signale zusätzlich bzw. anstelle der Betragsbildung qua
driert, dann tiefpaßgefiltert und anschließend die Wurzel ermittelt,
so erhält man geschätzte RMS-(Root Mean Squares) Effektivwerte. Die
Auswahllogik 105 vergleicht nun die Beträge der einzelnen Effektiv
werte Seff, Veff, Aeff und/oder Spitzenwerte Smax, Vmax, Amax unter
einander bzw. mit vorgegebenen Schwellen und entscheidet anhand die
ser über die vor zunehmende Abstimmung des in einem elektronischen
Steuergerät ablaufenden Fahrwerkregelalgorithmus. In der obenbe
schriebenen Weise können auch mehrere an verschiedenen Rädern ange
brachte Sensoren zur Ermittlung der Relativbewegungen zwischen Rad
und Fahrzeugaufbau der genannten Art und Weise ausgewertet werden.
Zur Spitzenwertbildung wird über einen festgelegten Zeitraum die
maximal aufgetretene Signalamplitude der betrachteten Größen ausge
wertet. Der betrachtete Zeitraum ist dabei im Sinne eines gleitenden
Zeitfensters stets dem realen Zeitverlauf nachzuführen.
Bei der Auswahllogik 105 werden also die in der ersten Einrichtung
101 erfaßten Effektivwerte oder Spitzenwerte des Einfederwegs, der
Einfedergeschwindigkeit mit vorgegebenen Schwellen verglichen und
abhängig von diesen Vergleichsergebnissen Regelungsparameter RP dem
Regler 107 zugeführt. Die Regelungsparameter können hierbei abhängig
von den Vergleichsergebnissen aus den Tabellen 106 entnommen werden.
Eine weitere Möglichkeit der Berücksichtigung des vertikaldyna
mischen Bewegungszustands des Fahrzeugs besteht darin, Effektivwerte
und/oder Spitzenwerte der geschätzten Radlastvariationen eines oder
mehrerer Räder zur Variation der Reglerparameter heranzuziehen. Als
Radlastvariation bzw. Radlastschwankung P bezeichnet man die Ab
weichung der Radlast (Normalkraft zwischen Reifen und Fahrbahn) von
ihrem statischen Wert. Während diese und etwa auch die Reifenein
federung, die unmittelbar mit der Rastlastschwankung zusammenhängt,
einer Messung nur sehr schwer zugänglich ist, kann beispielsweise
der Einfederweg mit relativ einfach und somit preiswert zu reali
sierende Meßwertaufnehmern detektiert werden. Zur Erlangung der Rad
lastschwankung P soll im folgenden anhand des Zweikörpermodells, das
in der Fig. 2 zu sehen ist, auf den physikalischen Hintergrund ein
gegangen werden.
Die Positionen 201, 202, 203, 204, 205 und 206 in der Fig. 2 zeigen
ein Zweikörpermodell für eine Radeinheit. Das Rad ist in Kontakt mit
der Fahrbahn 204. Hierbei ist die Reifensteifigkeit als Feder 205
mit der Federkonstanten Cr modellhaft beschrieben. Die Kombination
der Feder 206 und des bezüglich seiner Dämpfungseigenschaft regelba
ren Dämpfers 203 steht also hier für das zu steuernde bzw. regelnde
Federungs- und/oder Dämpfungssystem einer Radeinheit. In diesem Aus
führungsbeispiel soll der Dämpfer 203 als regelbar angenommen wer
den, während die Eigenschaften der Feder 206 durch einen konstanten
Wert C beschrieben wird. Mit Xa bzw. Xr ist die Verschiebung des
Fahrzeugaufbaus 201 bzw. die Verschiebung des Rades bezeichnet, und
zwar die Verschiebung aus der Gleichgewichtslage bei Stillstand des
Fahrzeugs (im unbeladenen Zustand). Mit Xe werden die Bodenuneben
heiten beschrieben. Die Masse des Fahrzeugaufbaus ist mit Ma und die
des Rades mit Hr bezeichnet. Der Meßwertaufnehmer 207 detektiert die
Einfederbewegungen der Radeinheit. Anhand dieses Zweikörpermodells
kann man ableiten, daß die gesuchte Größe P der Einfederbewegung in
folgendem Zusammenhang steht:
P = -[(1 + Mr/Ma) * C + (1 + Mr/Ma) * d * s + Mr * s²] * Xar, (1)
wobei s die Laplace-Variable ist. Mit Xar ist der sogenannte
"entmittelte" Federweg bezeichnet, der aus der Meßgröße Xa-Xr durch
Subtraktion ihres laufenden Mittelwerts
zu
entsteht. Hierbei ist Tm ein Abstimmungsparameter und t der aktuelle
Zeitpunkt. Durch diese "Entmittlung" des Federwegs Xa-Xr wird so
wohl der Einfluß einer Beladung des Fahrzeugs, das heißt eine Ände
rung des statischen Federwegs, als auch der Einfluß unsymmetrischer
(bezüglich Druck- und Zugbereich) Feder- und/oder Dämpferkennlinien
(Änderung des mittleren dynamischen Federwegs) auf die Berechnung
der Radlastschwankungen eliminiert.
Als vereinfachte Ausgestaltung kann ersatzweise für den entmittelten
Federwegs nach der Gleichung (2) bzw. (3) auch die Differenz
Xrel=Xa-Xr verwendet werden.
Das Signal P gibt also wenigstens näherungsweise die dynamische Rad
lastvariation bzw. Radlastschwankung in der Vertikalrichtung eines
auf einer Fahrbahn bewegten Reifens wieder. Die Ermittlung der dyna
mischen Radlastschwankung P kann, wie oben beschrieben, aus dem sen
sierten Einfederweg in der ersten Einrichtung 101 geschehen. Ein
derartiges, möglicherweise auch auf anderem Weg gewonnenes Signal
der dynamischen Radlastschwankung kann nun ebenfalls im Sinne der
vorliegenden Erfindung als vertikaldynamische Kenngröße herangezogen
werden, wenn ausgehend hiervon ein in oben beschriebener Weise er
langter Effektivwert Peff und/oder ein Spitzenwert Pmax ermittelt
wird. Diese Effektivwerte bzw. Spitzenwerte der dynamischen Radlast
schwankung werden in der Auswahl-Logik 105 mit vorgegebenen Schwel
len verglichen und anhand von Tabellen 106 zur Bestimmung der Reg
lerparameter RP des Reglers 107 herangezogen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sy
stems hinsichtlich der Beeinflussung der Reglerparameter in Abhan
gigkeit von dem vertikaldynamischen Bewegungszustand des Fahrzeugs
geht von statistischen Kenngrößen aus, welche näherungsweise die
Eigenschaften der Fahrbahn statistisch beschreiben. Dies soll im
folgenden näher dargelegt werden.
Der vertikaldynamische Bewegungszustand einer Radeinheit eines
realen Fahrzeugs wird durch das in der Fig. 2 dargestellte Zwei
körpermodell gut approximiert. Mit den in der Fig. 2 angegebenen
Koordinaten und Fahrzeugparametern erhält man als theoretischen Zu
sammenhang zwischen dem Verlauf der Fahrbahnoberfläche Xe(t) und den
mit einem geeigneten Sensor 207 zwischen der Radeinheit und dem
Fahrzeugaufbau gemessenen Abstand die formelmäßige Beziehung im
mit der Laplace-Variablen s, wobei Mar=Ma+Mr die Summe der anteili
gen Fahrzeugaufbaumasse und der Masse des Rades ist und Xar der ent
mittelte Federweg oder der relative Einfederweg Xa-Xr ist. Zur prak
tischen Realisierung des erfindungsgemäßen Fahrwerkregelungssystems
ist die Beziehung (4) nicht günstig verwendbar, da die erforderliche
zweimalige Integration des Einfederwegsignals nicht stabil in einem
Steuergerät realisierbar ist. Eine geeignete Approximation der
Gleichung (4) ist jedoch
wobei die Größen e, w und delta Filterparameter sind, die beispiels
weise an die auszuwertenden Einfederbewegungssignale angepaßt werden
und die eine stabile Integration gewährleisten.
Die Beziehung (5) beschreibt ein zeitkontinuierliches, stabiles Fil
ter vierter Ordnung. Zur Implementierung in einem digitalen Steuer
gerät kann dieses Filter mit bekannten Verfahren diskretisiert wer
den. In diesem Falle weist die erste Einrichtung 101 das in der For
mel (5) beschriebene Übertragungsverhalten auf, wobei die Erfassung
des Einfederwegs oder des entmittelten Einfederwegs durch die ersten
Mittel 111 getätigt wird.
Über die hier beschriebene Darstellung hinaus ist es möglich, durch
Anwendung von Ordnungsreduktionsverfahren die hier beschriebene Fil
teranordnung vierter Ordnung (n=4) zu reduzieren, indem beispiels
weise ein Ansatz
im Sinne kleinster Fehlerquadrate so angepaßt wird, daß die Bezie
hung (4) bzw. die Beziehung (5) in einem betrachteten Frequenzband
optimal approximiert wird. Hierdurch läßt sich der im Steuergerät
erforderliche Rechenaufwand weiter reduzieren.
Sofern im betrachteten Fahrzeug statt der Einfederwegsignale Xar
Einfederweggeschwindigkeitssignale Xar′ zur Verfügung stehen, läßt
sich die oben beschriebene Vorgehensweise gleichermaßen verwenden.
In diesem Fall tritt an die Stelle von Beziehung (4) die Beziehung
und anstelle von (6) die Beziehung
Die geschilderte Vorgehensweise kann auf eines oder mehrere Räder
des betrachteten Fahrzeugs angewandt werden. In einer bevorzugten
Ausführung werden nur die Einfederwegsignale der beiden Vorderräder
berücksichtigt, da die den Hinterrädern zugeordneten Fahrbahnprofile
näherungsweise denjenigen der Vorderräder mit einer Zeitdifferenz T
entsprechen welche sich aus dem Achsabstand L und der Fahrgeschwin
digkeit V gemäß T = L/V ergibt. Bei dieser Ausführung wird also der
ersten Einrichtung 101 zusätzlich ein Signal zugeführt, das die
Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs repräsentiert.
Die Anpassung der Reglerparameter RP des Reglers 107 an Kenngrößen,
die den Fahrstil des Fahrers beschreiben, wird im folgenden als wei
tere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems beschrieben. Hierzu
ist in der Fig. 1 eine zweite Einrichtung 102 zur Messung und Aus
wertung des Fahrstil des Fahrers eingezeichnet, die entsprechend
aufbereitete Sensorsignale von den zweiten Mitteln 112 zugeführt be
kommt. Die zur Anpassung der Reglerparameter herangezogenen Kenn
größen können im einzelnen wie folgt beschrieben ermittelt werden.
Ausgehend von einem Längsbeschleunigungssignal AL, welches zum Bei
spiel von einem Längsbeschleunigungssensor oder durch geeignete
Aufbereitung eines Fahrgeschwindigkeitssignals VL (zum Beispiel
Tachometer, ABS) resultiert, werden statistische Kennwerte wie
(RMS-) Effektivwerte und/oder Spitzenwerte der Längsbeschleunigung
ermittelt. Dies kann in der zweiten Einrichtung 102 geschehen, wobei
die zweiten Mittel 112 in diesem Falle die Längsbeschleunigung des
Fahrzeugs erfassen. In der Auswahllogik 105 werden zum Beispiel die
Beträge des Effektivwertes ALeff und/oder des Spitzenwertes ALmax
untereinander bzw. mit vorgegebenen Schwellen verglichen. Anhand der
Ergebnisse dieser Vergleiche sowie gegebenenfalls durch weitere
Kenngrößen, die weiter unten beschrieben werden, werden beispiels
weise mit Hilfe der Tabellen 106 die Regelparameter RP des Reglers
107 dem Fahrstil des Fahrers angepaßt.
Zur Effektivwertbildung können die Betragswerte der genannten
Signale jeweils analog oder digital gebildet werden (Gleichrich
tung). Durch eine anschließende Tiefpaßfilterung erhält man einen
Schätzwert für den Effektivwert. Werden die berücksichtigten Signale
zusätzlich bzw. anstelle der Betragsbildung qadriert, dann tiefpaß
gefiltert und anschließend die Wurzel ermittelt, so erhält man ge
schätzte RMS-(Root Hean Squares) Effektivwerte. Zur Spitzenwertbil
dung wird, wie schon oben beschrieben, über einen festgelegten Zeit
raum die maximal aufgetretene Signalamplitude der betrachteten Größe
ermittelt. Der betrachtete Zeitraum ist dabei im Sinne eines glei
tenden Zeitfenster stets dem realen Zeitverlauf nachzuführen.
Eine weitere Möglichkeit, den Fahrstil des Fahrers zu berücksichti
gen soll im folgenden dargestellt werden. Ausgehend von einem Signal
AQUER, das der Querbeschleunigung des Fahrzeugs proportional ist und
welches entweder durch direkte Messung mit Hilfe eines geeignet an
gebrachten Querbeschleunigungssensors oder durch Errechnung aus an
deren Größen, wie zum Beispiel der Fahrzeuggeschwindigkeit VL und
dem Lenkwinkel DELTA ermittelt werden kann, werden statistische
Kennwerte wie (RMS-) Effektivwerte und/oder Spitzenwerte der Querbe
schleunigung ermittelt. In der Auswahllogik 105 werden die Beträge
des Effektivwerts AQUEReff und/oder des Spitzenwertes AQUERmax un
tereinander bzw. mit vorgegebenen Schwellen verglichen und abhängig
von den Vergleichsergebnissen sowie gegebenenfalls abhängig von
weiteren Kenngrößen die Regelparameter RP dem Fahrstil des Fahrers
angepaßt.
Eine weitere Möglichkeit die Regelparameter RP dem Fahrstil des Fah
rers anzupassen, geht von einem Signal PSIP aus, welches proportio
nal zur Giergeschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Dieses in den zwei
ten Mitteln 112 erfaßte Signal kann entweder durch direkte Messung
zum Beispiel eines geeigneten Giergeschwindigkeitssensors oder durch
Errechnung aus anderen Größen wie zum Beispiel der Fahrzeuggeschwin
digkeit VL und dem Lenkwinkel DELTA ermittelt werden. Ausgehend von
dem Signal PSIP werden statistische Kennwerte wie (RMS-)Effektivwer
te und/oder Spitzenwerte der Giergeschwindigkeit bestimmt. Dies ge
schieht in der zweiten Einrichtung 102. Die Auswahllogik 105 ver
gleicht die Beträge des Effektivwerts PSIPeff und/oder des Spitzen
wertes PSIPmax untereinander bzw. mit vorgegebenen Schwellen und
entscheidet anhand dieser sowie gegebenenfalls weiterer Kenngrößen
über die vorzunehmende Abstimmung des in einem elektronischen
Steuergerät ablaufenden Fahrwerk Regelalgorithmus. Hierzu werden die
Regelparameter RP des Reglers 107 entsprechend variiert.
Ausgehend von einem Signal DELTAP, welches proportional zur Lenkwin
kelgeschwindigkeit ist und welches entweder durch einen geeignet an
gebrachten Lenkwinkelgeber und/oder durch einen Lenkwinkelgeschwin
digkeitsgeber oder auch mit Hilfe eines geeignet angebrachten linea
ren Weg- oder Geschwindigkeitsgebers direkt gemessen werden kann
oder durch Errechnung aus anderen Größen ermittelt werden kann, wer
den statistische Kennwerte wie (RMS-)Effektivwerte und/oder Spitzen
werte der Lenkwinkelgeschwindigkeit ermittelt. Dies geschieht analog
zu den oben beschriebenen Ausgestaltungen in den zweiten Einrichtun
gen 102 bzw. unter Zuhilfenahme der Daten, die in den zweiten Mit
teln 112 erfaßt werden. Auch bei dieser Ausgestaltung werden die Be
träge des Effektivwerts DELTAPeff und/oder des Spitzenwertes
DELTAPmax untereinander bzw. mit vorgegebenen Schwellen verglichen.
Anhand dieser Vergleichsergebnisse sowie gegebenenfalls weiterer
Kenngrößen werden die Regelparameter RP bestimmt.
Ausgehend von einem Drosselklappensignal ALPHA und/oder eines Dros
selklappen- Änderungsgeschwindigkeitssignals ALPHAP, welches entwe
der durch einen geeignet angebrachten Winkelgeber, einen Winkelge
schwindigkeitsgeber oder auch mit Hilfe eines geeignet angebrachten
linearen Weg- oder Geschwindigkeitsgebers ermittelt werden kann,
werden statistische Kennwerte wie (RMS-)Effektivwerte und/oder
Spitzenwerte der beschriebenen Drosselklappensignale bestimmt. Hier
zu können auch Signale aus anderen elektronischen Fahrzeugteilsyste
men verwendet werden, sofern sie durch eine geeignete Informations
verbindung der zweiten Einrichtung 102 zugeführt werden. Ersatzweise
kann ein entsprechendes Signal von der Fahrpedalstellung abgeleitet
werden, falls das betreffende Fahrzeug nicht über eine Drosselklappe
verfügt. In der Auswahllogik 105 werden die Beträge der Effektivwer
te ALPHAeff bzw. ALPHAPeff und/oder der Spitzenwerte ALPHAmax bzw.
ALPHAPeff untereinander bzw. mit vorgegebenen Schwellen verglichen.
Anhand dieser Vergleichsergebnisse und gegebenenfalls weiterer Kenn
größen werden die Regelparameter RP entsprechend bestimmt.
Ausgehend von einem Motordrehzahlsignal N oder einem Motordrehzahländerungssignal
NP, welches entweder durch geeignet angebrachte Win
kelgeber oder Drehzahlgeber direkt ermittelt oder aus anderen elek
tronischen Fahrzeugteilsystemen durch eine geeignete Informations
verbindung übermittelt werden kann, werden statistische Kennwerte
wie (RMS-)Effektivwerte und/oder Spitzenwerte der beschriebenen Mo
tordrehzahlsignale ermittelt. In der Auswahllogik 105 werden dann
die entsprechenden Effektivwerte Neff bzw. NPeff und/oder der
Spitzenwerte Nmax bzw. NPeff untereinander bzw. mit vorgegebenen
Schwellen verglichen. Anhand dieser Vergleichsergebnisse sowie gege
benenfalls weitere Kenngrößen werden die Regelparameter RP des Reg
lers 107 angepaßt.
Eine weitere Möglichkeit, entsprechende Kenngrößen zur Berücksichti
gung des Fahrstils des Fahrers zu erhalten, besteht darin, die Stel
lung des Fahrzeuggetriebes zu erfassen. Diese Getriebestellung kann
vorzugsweise auch aus anderen elektronischen Fahrzeugteilsystemen,
wie einer elektronischen Getriebesteuerung, durch eine geeignete In
formationsverbindung dem Fahrwerkregelungssystem zugeführt werden.
Erfaßt man also die Stellung des Getriebes bzw. die Häufigkeit und
Geschwindigkeit der Änderungen der Getriebestellungen, so gelangt
man zu statistischen Kenngrößen der in der Auswahllogik 105 gegebe
nenfalls durch die Tabellen 106 entsprechende Regelparameter zuge
ordnet werden können.
Statistische Kenngrößen, welche die Betätigung von
Drosselklappen- bzw. Fahrpedalschaltern bzw. Bremslichtschaltern beschreiben, sind
vorzugsweise bei Fahrzeugen mit Automatikgetrieben zu dem erfin
dungsgemäßen System heranzuziehen. Weiterhin können die Signale von
Schaltern, die zur Bestimmung bzw. Erkennung von Vollast benutzt
werden (Drosselklappenschalter) sowie die an jedem Fahrzeug vorhan
denen Bremslichtschalter zur statistischen Auswertung gemäß des er
findungsgemäßen Systems verwendet werden. Aus diesen Signalen lassen
sich statistische Kenngrößen mit bekannten Verfahren ermitteln, wel
che den Fahrstil des jeweiligen Fahrers kennzeichnen und ebenfalls
zur Parameteranpassung des beschriebenen Fahrwerkregelsystems heran
gezogen werden können.
Die obenerwähnten Verfahren zur Berücksichtigung des Fahrstils des
Fahrers können jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination zur
Anpassung der Regelparameter verwendet werden.
In Erweiterung der oben dargestellten Verfahren zur statistischen
Kenngrößenermittlung sind die folgenden Verfahren zu erwähnen.
- 1. Zählverfahren zur Häufigkeitsermittlung innerhalb vorgegebener Signalklassen.
- 2. Frequenzanalyse (zum Beispiel mit FFT).
- 3. Korrelationsverfahren sowie andere Mustererkennungsverfahren zur Extraktion von Merkmals-"Clustern", welche auf bestimmte, fahrer typische Fahrmanöver hinweisen.
- 4. Parameteridentifikationsverfahren, welche zum Beispiel ein stark vereinfachtes, dynamisches Modell (zum Beispiel in Form einer Differenzengleichung oder einer Übertragungsfunktion) des jewei ligen Fahrers aus den zeitlichen Verläufen der zugrundegelegten Signale ermitteln.
Allen genannten Auswertemethoden ist gemeinsam, daß sie ein zeitlich
variantes Verhalten explizit berücksichtigen müssen, um Wechsel des
Fahrers oder Änderungen des Fahrverhaltens berücksichtigen zu können.
Hierfür werden vorzugsweise zeitliche Gewichtungen oder zeit
lich mitbewegte Datenerfassungsfenster verwendet.
Ergänzend zu der obenbeschriebenen Berücksichtigung des vertikal
dynamischen Bewegungszustands des Fahrzeugs und/oder des Fahrstils
des Fahrers kann die Längs- und/oder Querdynamik des Fahrzeugs zur
Fahrzustandserkennung herangezogen werden. Dies ist in der Fig. 1
durch die dritte und vierte Einrichtung 103 und 104 bzw. den zuge
hörigen dritten und vierten Mitteln 113 und 114 angedeutet.
Hierbei wird in der dritten Einrichtung 103 die Längsdynamik des
Kraftfahrzeugs erfaßt. Hierzu sind die dritten Mitteln 113 vorgese
hen, die beispielsweise Sensoren enthalten können, die die Fahrzeug
längsgeschwindigkeit und/oder die Fahrzeuglängsbeschleunigung ermit
telt. Durch Differentation läßt sich hieraus ein Näherungswert für
die Reifenlängskräfte F1 erhalten. Wie in der WO 90/14 240 beschrie
ben, gilt die Beziehung
F1 = Mges*V1′ (9)
wobei Mges die Masse des Fahrzeugs und V1′ die Fahrzeuglängsbe
schleunigung bezeichnet. Ein Signal, das die Reifenlängskraft F1 re
präsentiert, wird von der dritten Einrichtung 103 der Auswahllogik
105 zugeführt. In der Auswahllogik 105 können die den Reifenlängs
kräften entsprechenden Regelungsparameter beispielsweise anhand der
Tabelle 106 ausgewählt werden. Der vierten Einrichtung 104 werden
Signale von den vierten Mitteln 114 zugeführt, die beispielsweise
den Lenkwinkel, die Giergeschwindigkeit und die Fahrzeugquerbe
schleunigung repräsentieren. Gegebenenfalls sind nicht alle Ein
gangsgroßen erforderlich. In der vierten Einrichtung 104 wird aus
den beschriebenen Eingangsgrößen ein Näherungswert für die Reifen
seitenkraft Fs gebildet. Diese wird der Auswahllogik 105 zugeführt,
in der die Regelparameter beispielsweise anhand der Tabelle 106 ent
sprechend ausgewählt werden.
Claims (5)
1. System zur aktiven oder semiaktiven Fahrwerkregelung, insbeson
dere von Personen- und Nutzkraftwagen, bei dem die Regelparameter
des Regelkreises zur Regelung der Fahrwerkeigenschaften in Abhängig
keit von dem sensorische ermittelten Fahrzustand des Fahrzeugs ver
ändert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fahrzustandserkennung
wenigstens eine Größe ermittelt wird, die den vertikaldynamischen
Bewegungszustand des Fahrzeugs und/oder den individuellen Fahrstil
des Fahrers repräsentiert, erfaßt wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe, die
den vertikaldynamischen Bewegungszustand des Fahrzeugs repräsen
tiert, aus den sensorisch erfaßten Relativbewegungen zwischen dem
Fahrzeugaufbau und wenigstens einer Radeinheit ermittelt wird.
3. System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als vertikaldynamische Größe
- - statistische Kenngrößen ermittelt werden, die näherungsweise die Eigenschaften der Fahrbahn statistisch beschreiben, und/oder
- - Effektivwerte und/oder Spitzenwerte des Einfederwegs (Xar), der Einfedergeschwindigkeit (Xar′′) und/oder der Einfederbeschleuni gung (Xar′′) ermittelt werden und/oder
- - Effektivwerte und/oder Spitzenwerte der geschätzten Radlastvaria tionen wenigstens eines Rades ermittelt wird.
4. System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß als Größe, die den individuellen Fahrstil
des Fahrers repräsentiert,
- - Effektivwerte und/oder Spitzenwerte der geschätzten und/oder ge messenen Fahrzeuglängsbeschleunigung, der Fahrzeugquerbeschleuni gung, Fahrzeugiergeschwindigkeit, Lenkwinkelgeschwindigkeit, Drosselklappenstellung, Drosselklappenänderungsgeschwindigkeit, Motordrehzahl und/oder Motordrehzahländerungsgeschwindigkeit er mittelt werden und/oder
- - statistische Kenngrößen, welche die Getriebestellung, insbesonde re die Häufigkeit und Geschwindigkeit von Gangwechseln, beschrei ben, welche die Betätigung von Drosselklappen- und/oder Brems lichtschaltern beschreiben.
5. System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß ergänzend zu dem vertikaldynamischen Be
wegungszustand des Fahrzeugs und/oder des Fahrstils des Fahrers die
Längs- und/oder Querdynamik des Fahrzeugs zur Fahrzustandserkennung
herangezogen wird.
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Ipc: B60G 21/10 |
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D2 | Grant after examination | ||
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Effective date: 20110502 |