DE4313973C2 - Aktive Federung einer Masse, insbesondere Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeuges, zur Reduzierung von Schwingungen des Fahrerhauses, mit einem Aktivfedersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus WO 90/12700 ist eine Federung der vorgenannten Art bekannt, wobei als längenveränderlicher Aktivzylinder parallel zu den Fahrzeugtragfedern ein Hydraulikstellzylinder vorgese­ hen ist. Fahrzeugtragfeder und Hydraulikstellzylinder sind zwischen dem Aufbaueines Personenkraftwagens und der Fahr­ zeugrad-Naben-Anordnung befestigt. Die gesamte aktive Fahr­ zeugfederung ist sehr aufwendig und kostenintensiv getroffen, insbesondere im Hinblick auf die verwendete Hydraulik.

Grundsätzlich stehen bei einer radgestützten Aufbaufederung sowohl die sicherheitsrelevante Reduktion der Radlastschwan­ kung als auch die Komfortverbesserung als Ziel im Vordergrund, während bei einer Fahrerhausfederung die Steigerung des Kom­ forts primäres Ziel ist. Der durch die Regelung zu berücksich­ tigende Frequenzbereich ist bei einer Aufbaufederung viel größer (bis etwa 30 Hz) als bei einer Fahrerhausfederung (bis etwa 12 Hz). Die Führungsgröße, nämlich die vertikale Radbewe­ gung, unterliegt einer Rückwirkung durch die Reifenfeder, die eine andere Charakteristik aufweist als die Federung des Rah­ mens eines Lastkraftwagens. Darüberhinaus ist die Druckölver­ sorgung der Hydraulik und die dazugehörigen Steuerelemente bei einem Personenkraftwagen in der gefederten Masse (Aufbau) untergebracht, während sie bei der aktiven Fahrerhausfederung des Lastkraftwagens zur nicht aktiv gefederten Masse (Rahmen) gehört. Im Gegensatz zu einem Personenkraftwagen kann hier die Druckölversorgung und Druckölsteuerung vom Zylinderfuß her erfolgen.

Prinzipiell treten bei einem Ersatz einer konventionellen, d. h. einer passiven Federung durch eine vollaktive Federung, bei der die Wirkung der Feder durch ein hydraulisches System nach­ gebildet wird, zwei Schwierigkeiten auf:

• 1. Das hydraulische System ist erheblich steifer als die für eine passive Federung üblicherweise verwendeten Schrauben-, Blatt- oder Luftfedern. Störungen, die von der Steuerung bzw. Regelung des Hydrauliksystems nicht erfaßt werden oder denen die Hydraulik aus physikalischen Gründen nicht begegnen kann, werden nahezu ungeschwächt auf die gefederte Masse (z. B. das Fahrerhaus) übertra­ gen. Dies trifft vor allem auf Störungen zu mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz der Aktivfederung, die durch die Hardware, aber auch durch die Signalverar­ beitungsgeschwindigkeit gegeben ist. Die Federungswirkung der passiven Federung wird hingegen bei hohen Frequenzen durch die Massenträgheit der gefederten Masse unter­ stützt. Dies zeigt sich in der sogenannten Vergrößerungs­ funktion passiver Federungen, die, unabhängig vom Dämpfungsmaß, für hohe Frequenzen gegen Null streben.
• 2. Da bei den gegenwärtigen Hydrauliksystemen eine Energie­ rückgewinnung nicht möglich ist, oder zu aufwendig wäre, steigt der energetische Aufwand mit der Frequenz der aus­ zugleichenden Störung überproportional, weil nicht nur die Hin-, sondern auch die Rückbewegung mit einem Ener­ gieverbrauch verbunden ist, und darüberhinaus die Strö­ mungswiderstände mit der Geschwindigkeit zunehmen (die Anregungsamplituden werden allerdings mit zunehmender Frequenz kleiner).

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer aktiven Fede­ rung, insbesondere Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeugs, die einfach aufgebaut ist und eine weitere Verbesserung des Schwingungskomforts mit Hilfe einer besseren Regelungsgüte bzw. Steuerungsgenauigkeit der aktiven Federung ermöglicht, welche mit geringem energetischen Aufwand betrieben werden kann.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch die angegebenen Merk­ male des Anspruchs 1.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 14.

Wesen der Erfindung ist die Anordnung zumindest eines elasti­ schen Elements zwischen dem eigentlichen Aktivfedersystem und der gefederten Masse, insbesondere einem gefederten Fahrerhaus eines Nutzfahrzeuges, sowie die Wahl der Bewegung des oberen Befestigungspunktes des Aktivzylinders als Regelgröße (im Sinn der Regelungstechnik). Zur Bestimmung dieser Regelgröße stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, insbesondere die direkte Messung mittels eines Beschleunigungssensors am oberen Befe­ stigungspunkt oder eine indirekte Bestimmung unter Verwendung des Zylinderwegs.

Nachteilig ist die bisher bekannte Wahl der Bewegung der aktiv gefederten Masse als Regelgröße, weil infolge der Elastizität zwischen der Masse und dem Aktivzylinder Verzögerungszeiten in der Regelung bzw. Steuerung entstehen, die die Güte der Schwingungsisolierung vermindern.

In der erfindungsgemäßen Ausführung stützt sich die aktiv gefederte Masse mit seinen zusätzlichen Federelementen auf einer im Inertialsystem durch Regelung stabilisierten Ebene ab. Diese durch die oberen Befestigungspunkte der Aktivzylin­ der definierte Ebene absorbiert die Schwingungseinwirkung bis zur oberen Grenzfrequenz der Aktivfederung. Eine genaue Abstimmung der Schwingungsübertragungsfunktionen der aktiven und der dazu in Reihe geschalteten passiven Federung ermög­ licht eine erhebliche Schwingungsreduktion im ganzen Frequenz­ bereich. Dabei muß die Eigenfrequenz der passiven Federung kleiner gewählt werden als die Grenzfrequenz der Aktivfede­ rung. Durch eine gezielte Zurücknahme der Grenzfrequenz des Aktivfedersystems läßt sich ein System mit baulich und energe­ tisch geringem Aufwand realisieren.

Der Beschleunigungssensor wird vorzugsweise am masseseitigen Befestigungspunkt des Aktivzylinders plaziert. Die Beschleuni­ gungen der übrigen Komponenten der Schwingungsübertragungs­ kette: Räder (Achsen), Aufbau bzw. Rahmen und Fahrerhaus wer­ den dann durch Addition von zweimal differenzierten Relativwegsignalen ermittelt, die ohnehin aus Sicherheitsgrün­ den vorhanden (Kolbenstangenweg am Aktivzylinder) oder relativ leicht zu messen sind (integrierter Wegsensor im Stoßdämpfer der Achsfederung).

Alternativ hierzu können die Beschleunigungssignale nach geeigneter Filterung und unter Beachtung der Vorschrift, daß das Wegsignal beschränkt bleiben muß (kein lineares oder para­ bolisches Wegdriften) durch zweifache Integration in ein abso­ lutes Wegsignal umgerechnet und entsprechend mit den Rela­ tivwegsignalen verknüpft werden.

Der Vorteil dieses Vorgehens ist, daß der Sensor am massesei­ tigen Befestigungspunkt des Aktivzylinders sowohl besser vor Umwelteinflüssen geschützt als auch geringerer Schwingbela­ stung ausgesetzt ist. Sein Beschleunigungssignal kann mittels eines Bandpasses auf das Frequenzintervall beschränkt werden, das der Steuerung bzw. der Regelung zugänglich ist.

Möglich ist z. B. eine Regelung in Anlehnung an das Sky-hook- Prinzip, d. h. die Rückführung der Geschwindigkeit des masse­ seitigen Aktivzylinderpunktes in einer Regelschleife, wobei durch das Fernhalten von Elastizitäten aus dem Regelkreis eine erheblich bessere Regelgüte erreichbar ist. Ein Optimum, das für den Frequenzbereich einer solchen Sky-hook-Regelung gefun­ den wurde, bleibt auch unter Berücksichtigung des nachgeschal­ teten elastischen Elements erhalten.

Die Erfindung der integralen aktiven Federung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen für eine Fahrerhausfederung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungn näher erläu­ tert; es zeigen:

Fig. 1 eine integrale aktive Fahrerhausfederung mit einer Schraubenfeder als zusätzliches - in Reihe geschal­ tetes - elastisches Element zwischen dem eigentli­ chen Aktivfedersystem und dem Fahrerhaus in schema­ tischer Darstellung,

Fig. 2 eine andere aktive Fahrzeugfederung mit einem Gummi­ element als zusätzliches elastisches Element, und

Fig. 3 eine integrale aktive Fahrerhausfederung mit einer Hydropneumatik als zusätzlicher Federung.

Die in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichte integrale aktive Fahrzeugfederung ist insbesondere als Fahrerhausfederung (1) zwischen einem Fahrerhaus (2) und einem Fahrzeugrahmen (3) konzipiert. Das Fahrerhaus-Aktivfedersystem besteht grundsätz­ lich aus einem hydraulischen am Fahrzeugrahmen (3) angelenk­ ten, längenveränderbaren Aktivzylinder (4) mit Kolbenstange (6) sowie - vorteilhaft aber nicht notwendigerweise - parallel zum Aktivzylinder (4) angeordneten Fahrerhaustragfedern, welche sich unterseitig ebenfalls auf dem Fahrzeugrahmen (3) abstützen. Am oberen freien Ende der Kolbenstange (6) ist ein Querelement (13) befestigt, welches als obere Abstützung der Fahrerhaustragfedern (5) dient. Dieses Element (13) steht fer­ ner in einer festen Verbindung mit einem elastischen Element (7), welches seinerseits fest mit dem Fahrerhaus (2) verbunden ist.

Es wird also zu einer Aktivfederung eine zusätzliche elasti­ sche Lagerung (7) in Reihe geschaltet.

Es ist bekannt (Lehrbuchwissen), daß die Vergrößerungsfunktion eines Einmassenschwingers, mit der das Federungsverhalten einer passiven Federung beschrieben werden kann, jenseits der Eigenfrequenz umso steiler abfällt, je geringer die Dämpfung ist. Bei dem √2-fachen der Eigenfrequenz unterschreitet sie stets die 1.0-Linie, d. h. jenseits dieser Frequenz (überkritischer Bereich) ist die Amplitude der Schwingung der gefederten Masse kleiner als die Amplitude der Anregung.

Ist die Übertragungsfunktion der Aktivfederung bekannt, dann ist bei bekannter Masse die Federkonstante des passiven Feder­ elements so zu wählen, daß beide Übertragungsfunktionen zusam­ men ein Minimum an Schwingung übertragen:

Vg_tot = ∫V_akt.V_pas.w(f)df = Min

Der Gewichtungsfaktor w(f) kann dazu dienen, besonders kriti­ sche Frequenzen stärker zu dämpfen, z. B. um die Frequenzab­ hängigkeit der menschlichen Schwingungsempfindung zu berück­ sichtigen. Da die Dämpfung möglichst klein sein sollte und die Masse als konstant angesehen werden kann, steht für die Opti­ mierung nur die Federkonstante c zur Verfügung:

∂/∂c∫Vakt.w.Vpas(c)df = 0;

Normalerweise genügt jedoch eine empirische Anpassung anhand der gemessenen Übertragungsfunktion der Aktivfederung, so daß die etwas langwierige Auswertung des analytischen Ausdrucks nicht notwendig ist. Liegt beispielsweise die obere Grenz­ frequenz der Aktivfederung bei etwa 7-8 Hz, dann muß die Eigenfrequenz des elastischen Elements bei etwa 3 Hz liegen, um einen Übertragungsfaktor von weniger als 0,25 zu erreichen.

Für das elastische Element kommt an sich jedes elastische Prinzip in Frage, das auf Druck wirkt. Neben einer Schrauben­ feder (7) gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird auch ein Gummielement, beispielsweise ein Silentgummiblock (8) mit seitlichen Befestigungsplatten (9) und (10) gemäß Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2 als besonders günstig angesehen, wie auch eine hydropneumatische Federung (11) gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, welche - wenn auch in anderer Form - bereits ebenfalls in Großserien erprobt ist.

Jede der drei veranschaulichten Ausführungsvarianten gemäß den Fig. 1 bis 3 umfaßt einen Aktivzylinder (4) mit einem Beschleunigungssensor (12), welcher am oberen Ende der Kolben­ stange (6) oder an einem fest mit der Kolbenstange (6) verbun­ denen Bauteil, z. B. der Befestigungsplatte (10) gemäß Fig. 2 angeordnet ist. Die Beschleunigungen der übrigen Komponenten der Schwingungsübertragungskette: Räder (Achsen), Aufbau bzw. Rahmen (3) und Fahrerhaus (2) werden z. B. durch Addition von zweimal differenzierten Relativwegsignalen ermittelt, die ohnehin aus Sicherheitsgründen vorhanden sind (Kolbenstangenweg am Aktivzylinder) oder relativ leicht zu messen sind (integrierter Wegsensor im Stoßdämpfer der Achs­ federung).

Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeichnung dargestellten neuen Merkmale allein oder in sinnvoller Kombi­ nation sind erfindungswesentlich, auch soweit sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.

Claims (14)

1. Aktive Fahrerhausfederung (1) eines Nutzfahrzeuges, zur Reduzierung von Schwingungen des Fahrerhauses (2), mit einem Aktivfedersystem, welches min­ destens einen durch eine Steuer-/Regeleinrichtung angesteuerten Aktivzylinder (4) sowie eine parallel zum Aktivzylinder (4) wirkende Fahrerhaustragfeder (5) umfaßt, wobei der Aktivzylinder (4) und die Fahrerhaustragfeder (5) parallel zu­ einander zwischen dem Fahrzeugrahmen (3) und einem starren Querelement (13) angeordnet sind und das Fahrerhaus (2) mit dem Querelement (13) durch zumindest ein zusätzliches elastisches Element (7, 8, 11) verbunden ist, sowie mit einem Sensor (12) zur Ermittlung einer Regelgröße bzw. Eingangsgröße für die Steuer-/Regeleinrichtung des Aktivzylinders (4), welcher Sensor (12) dazu vorgesehen ist, die Bewegung eines festen Punktes des Aktivzylinders (4) in Be­ zug auf das Querelement (13) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivfedersystem dazu vorgesehen ist, bei Frequenzen bis zu einer vorbestimm­ ten oberen Grenzfrequenz zu schwingen, und daß die Eigenfrequenz des elasti­ schen Elements (7, 8, 11) kleiner ist als die obere Grenzfrequenz des Aktivfeder­ systems.

2. Aktive Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ela­ stische Element (7, 8, 11) auf solche Weise ausgebildet ist, daß an der Grenzfre­ quenz des Aktivfedersystems ein Übertragungsfaktor von weniger als 0,25 er­ reicht wird.

3. Aktive Federung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Grenzfrequenz zwischen 7 und 8 Hz liegt und daß die Eigenfrequenz des elasti­ schen Elements (7, 8, 11) bei etwa 3 Hz liegt.

4. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das elastische Element (7, 8, 11) eine mit Druck beanspruchte Schrau­ benfeder (7) ist (Fig. 1).

5. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das elastische Element (7, 8, 11) ein Gummielement ist.

6. Aktive Federung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gummielement ein Silentgummiblock (8) mit endseitigen Befestigungsplatten (9, 10) ist.

7. Aktive Federung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen­ sor (12) ein Beschleunigungssensor (12) ist und zur Ansteuerung des Aktivzylin­ ders (4) an der der Kolbenstange (6) zugeordneten Befestigungsplatte (10) des Si­ lentgummiblocks (8) befestigt ist.

8. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das elastische Element (7, 8, 11) eine hydropneumatische Federung (11) ist (Fig. 3).

9. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß neben der Bewegung des masseseitigen Befestigungspunktes des Ak­ tivzylinders (4) noch weitere Größen zur Ansteuerung des Aktivzylinders heran­ gezogen werden.

10. Aktive Federung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schleunigungen anderer Komponenten der Schwingungsübertragungskette (Rä­ der/Achsen, Aufbau/Rahmen (3), Fahrerhaus (2)) durch Addition von zweimal differenzierten entsprechenden Relativwegsignalen ermittelt und zur Ansteue­ rung des mindestens einen Aktivzylinders herangezogen werden.

11. Aktive Federung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schleunigungssignale gefiltert und unter Beschränkung des Wegsignals durch zweifache Integration in ein absolutes Wegsignal umgerechnet und entspre­ chend mit den Relativwegsignalen verknüpft werden.

12. Aktive Federung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Be­ schleunigungssignal des Aktivzylinders (4) mittels eines Bandpasses auf ein Fre­ quenzintervall beschränkt wird, welches der Steuerung des Aktivzylinders (4) zu­ gänglich ist.

13. Aktive Federung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Relativwegs des Aktivzylinders (4) ein Weggeber in die Kolbenstan­ ge (6) des Aktivzylinders (4) integriert ist.

14. Aktive Federung nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Relativwegs zu anderen passiv gefederten Komponenten der Schwingungsübertragungskette ein Weggeber in die Kolbenstange eines Schwin­ gungsdämpfers integriert ist.