DE60102335T2

DE60102335T2 - Aufhängungsvorrichtung mit einem elektrischen Stellantrieb mit einer parallelen Feder

Info

Publication number: DE60102335T2
Application number: DE60102335T
Authority: DE
Inventors: Jean-Jaques Charaudeau; Pierre Alain Magne
Original assignee: Conception et Developpement Michelin SA
Current assignee: Conception et Developpement Michelin SA
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: BR0104496A; US6708094B2; FR2814985A1; EP1197362B1; EP1197362A1; JP2002192931A; DE60102335D1; US20020084599A1; ATE261827T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Aufhängungen. Insbesondere bezieht sie sich auf die Aufhängung von Fahrzeugen, zum Beispiel Pkws. Sie bezieht sich, genauer, auf Mittel, die verwendet werden, um das Durchfedern zwischen zwei Punkten zu gestatten (ein aufgehängter Punkt ist zum Beispiel mit dem Aufbau oder dem Fahrgestell eines Fahrzeugs verbunden, das heißt, mit der aufgehängten Masse, und ein nicht aufgehängter Punkt ist zum Beispiel mit einem Aufhängungsarm oder einem Radträger verbunden, das heißt, er ist fest mit der nicht aufgehängten Masse verbunden), während sie sich bemüht, die Kraftänderungen zu mindern, die von der Aufhängung entwickelt werden, gesehen durch den aufgehängten Punkt.
Die EP 0 878 333 beschreibt eine Aufhängungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Man sieht, daß die Aufhängung eines Fahrzeugs bauliche Anordnungen aufweist, durch die man die Verlagerung eines Rades oder von Rädern einer Achse bezüglich des Aufbaus führt (oder bezüglich des Fahrgestells, wenn das Fahrzeug damit versehen ist, oder, je nachdem, auch zwischen Aufbau und Fahrgestell), und sie weist Mittel auf, die das Durchfedern eines jeden Rades (ein Rad ist ein Organ, das "nicht aufgehängt" genannt wird) bezüglich des Aufbaus (jeder Punkt, der auf dem Aufbau gelegen ist, wird "aufgehängt" genannt) steuern, um die Last zu tragen, während man gleichzeitig einen bestimmten Abstand zum Boden des Fahrzeugs aufrechterhält (das ist die Funktion einer Feder), und um das Auftreten von Schwingungen zwischen einem aufgehängten und einem nicht aufgehängten Punkt in der Folge einer Störung zu verhindern (das ist die Funktion eines Stoßdämpfers).
Eine Feder wird so berechnet, daß sie die Last des Fahrzeugs trägt, während sie gleichzeitig einen Abstand zum Boden einhält, der für das Fahrzeug ausreichend ist. Dank der Dämpfungsfunktion neigen die Räder, die mit Luftreifen ausgestattet sind, dazu, stets in Berührung mit der Straße zu bleiben, wenn die Aufhängung durch Unregelmäßigkeiten der Straße belastet wird. Ein Stoßdämpfer verhindert das Auftreten von Schwingungen, die sich in der Folge einer Störung einstellen, besonders der Schwingungen der Straße selbst, die der Reifen von sich aus nicht ausreichend abschwächen kann.
Bekanntlich ist das Konzept einer Aufhängung gekennzeichnet durch die Suche nach einem Kompromiß zwischen Aufgaben, die den Ruf haben, mindestens in hohem Maße widersprüchlich zu sein: der Komfort und die Straßenhaltigkeit. Zahlreiche Bemühungen wurden angestellt, um einen immer besseren Kompromiß zu finden. Der Stand der Technik kennt sogenannte aktive oder halbaktive Aufhängungen, deren Steuerung durch den Fortschritt in der Elektronik jetzt möglich geworden sind. In solchen Aufhängungen werden die Befehle auf elektrischem oder elektrohydraulischem Wege übertragen, um in Echtzeit die Merkmale der Flexibilität und/oder der Dämpfung der Aufhängung zu modifizieren. Dies führt dazu, zu den mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen, herkömmlichen Vorrichtungen eine Stufe der elektronischen Regelung mit ihren Meßfühlern und Berechnungsmitteln hinzuzufügen, sowie Elektroventile und Servoventile, um auf die mechanischen Organe, die die Funktion der Aufhängung sicherstellen, die eigentlichen Befehle der Änderung von Eigenschaften zu übertragen. Es handelt sich zum Beispiel darum, das Öffnen oder Schließen eines Klappenventils in einem Stoßdämpfer hervorzurufen, um die Energievernichtung, die er hervorruft, zu ändern.
Man kennt auch die vielfältigen Vorschläge aktiver Aufhängungen, wie sie in den Patenten oder Patentanmeldungen US 5 060 959 , US 5 028 073 , US 5 066 041 , US 5 740 039 oder EP 0 878 333 beschrieben sind, um von diesen nur einige zu nennen. Die Vielfalt vorgeschlagener baulicher Anordnungen und Steuergesetze, verglichen mit der sehr kleinen Zahl aktiver Aufhängungen auf dem Markt, ist ein Bild der Schwierigkeit, die es gibt, um wirksam die Aufhängungen zu steuern. Der Stand der Technik trifft bei der Wahl der Steuerparameter auf die korrekte Auswertung einer Vielzahl von Signalen, die man nötig zu haben glaubt, um das Verhalten eines Fahrzeugs korrekt zu erfassen.
In einer speziellen Ausführungsform, die in der Patentanmeldung EP 0 878 333 vorgeschlagen wurde, wird ein Einstellungsparameter, der α genannt wird, in Echtzeit gesteuert, um die Aufhängung zwischen einem Verhalten einer reinen Federbegleitung oder eines reinen Profilfolgers (α = 1) und einem Verhalten eines reinen Dämpfers (α = 0) zu steuern. Diese Funktionsweise ist besonders nützlich, um die Schwingungen eines Reifens zu dämpfen. Es wurde vorgeschlagen, das Entstehen einer Resonanz eines Reifens zu erfassen, um rasch bei α einen hinlänglich kleineren Wert als 1 zu liefern (zum Beispiel entsprechend einem linearen Schwingungsgesetz in Funktion der Amplitude), um die Schwingungen der nicht aufgehängten Masse zu dämpfen.
Das Ziel der Erfindung zielt darauf ab, sich dem Problem auf andere Weise zu nähern, die das Erfassen einer Resonanz der nicht aufgehäng ten Masse viel weniger nutzt, um für ein hohes Niveau der Funktionssicherheit der Fahrzeuge und für einen hohen Komfort zu sorgen.
Die Erfindung schlägt eine Aufhängungsvorrichtung vor, die die Steuerung der vertikalen Durchfederns zwischen einer aufgehängten Masse und einer nicht aufgehängten Masse sicherstellt, mit einer elastischen Verbindung, die zwischen der aufgehängten Masse und der nicht aufgehängten Masse angebracht ist, wobei die genannte, elastische Verbindung eine Feder aufweist und einen umkehrbaren, elektrischen Stellantrieb aufweist, der parallel zur Feder wirksam ist, um die Bewegungen relativen Durchfederns zwischen der aufgehängten Masse und der nicht aufgehängten Masse zu steuern, Z_cr der Abstand zwischen der aufgehängten Masse und der nicht aufgehängten Masse ist, und die genannte Vorrichtung Mittel zum Steuern des elektrischen Stellantriebs aufweist, damit, von einer beobachteten Änderung des Abstandes Z_cr zwischen der aufgehängten Masse und der nicht aufgehängten Masse ausgehend, infolge eines Durchfederns der elastischen Verbindung, der elektrische Stellantrieb eine Kraft F entwickelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft F ein Massenausgleichsanteil F₁ = C_a.M_r.A_cr ist, der wie die Beschleunigung A_cr des Durchfederns der nicht aufgehängten Masse in Bezug auf die aufgehängte Masse orientiert ist, wobei M_r die nicht aufgehängte Masse und C_a ein Beiwert ist, so daß sich ein Dämpfungsanteil F₂ = –C_v.V_cr der Geschwindigkeit V_cr dem genannten Durchfederns entgegensetzt, wobei C_v ein Beiwert ist.
Herkömmlicherweise nennt man "rollende Anordnung" die Gesamtheit der Organe, die, für eine gegebene Aufhängungsausbildung, man üblicherweise in die nicht aufgehängte Masse einreiht. Für eine Aufhängung der Art, die in der Patentanmeldung EP 0 878 332 beschrieben ist, um faßt die nicht aufgehängte Masse außer allen Organen, die sich um die Drehachse des Rades herum in Drehung befinden, den Radträger, den Ausgleichsstab, den Bremssattel und den elektrischen Antriebsmotor (der Motor der Aufhängung nimmt daran nicht teil). Die Erfindung schlägt vor, im elektrischen Stellantrieb einen Kraftanteil zu entwickeln, der der nicht aufgehängten Masse Rechnung trägt, was danach trachtet, die Energieanhäufung in dieser zu verhindern.
Außerdem und bevorzugt wird der elektrische Stellantrieb derart gesteuert, daß er einen Feder-Begleitanteil entwickelt, der eine Kraft erzeugt wie die relative Verlagerung zwischen Aufbau und Rad, so daß die Kraftveränderungen infolge der Veränderungen des Durchfederns beseitigt werden. Der elektrische Stellantrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in diesem Fall bevorzugt durch die genannten Steuermittel derart gesteuert, daß der elektrische Stellantrieb eine Kraft F entwickelt, die außerdem einen Feder-Begleitanteil F₃ = C_p.K.Z_cr aufweist, der umgekehrt zur Änderung der Kraft orientiert ist, die durch die Feder und aufgrund der Änderung des Abstandes Z_cr entwickelt wird, wobei K die Steifigkeit der Feder und C_p ein Beiwert ist.
Es ist die Rolle des elektrischen Stellantriebs, so weit wie möglich die Kraftveränderungen zu begrenzen, die von dem Aufbau empfunden werden. Wenn keine Kraftänderung vorliegt, gibt es keine Beschleunigung, demnach keine Bewegung des Aufbaus in vertikaler Richtung, und demnach wird der Komfort sehr groß sein. Der elektrische Stellantrieb wirkt ständig als Federkorrekturglied, um radikal die Kraftänderungen zu begrenzen, die die Feder ansonsten auf die aufgehängte Masse unter Wirkung äußerer Störungen aufbringen würde, während gleichzeitig eine Energieanhäufung in der nicht aufgehängten Masse verhindert wird. Die Funktion dieses Feder-Korrekturgliedes liegt in der Veränderung der Reaktionskraft, die natürlicherweise die Feder auf eine Störung hin entwickeln würde, indem eine Korrekturstrategie aufgebracht wird, die darauf abzielt, für den bestmöglichen Komfort zu sorgen, während gleichzeitig die Sicherheit gewahrt bleibt.
Die Erfindung wird noch besser durch die nachfolgende Beschreibung eines Beispiels verständlich, das nicht einschränkend angegeben wird, wobei sie sich auf die beiliegende Beschreibung bezieht, in der:
1 ein Fahrzeug zeigt, das mit einer erfindungsgemäßen Aufhängung ausgestattet ist,
2 ein Einsatzschema der Hauptelemente der Erfindung an einem Fahrzeug ist,
3a, 3b und 3c in Funktion der Zeit und synchron den Verlauf des Straßenprofils, die Ursache der Belastung der Aufhängung, die hieraus resultierende Verlagerung der nicht aufgehängten Masse, die hieraus resultierende Verlagerung der aufgehängten Masse und den Verlauf der Kraft im elektrischen Stellantrieb darstellen, und zwar für mehrere Beiwerte C_a, C_v und C_p, in denen man fortlaufend C_a erhöht, wenn man von 3a zur 3c übergeht, und C_v und C_p konstant sind,
4a, 4b und 4c die selben Verläufe für andere Kombinationen der Beiwerte C_a, C_v und C_p darstellen, in denen man fortlaufend C_v erhöht, wenn man von 4a zur 4c übergeht und C_a und C_p konstant sind,
5a, 5b und 5c die selben Verläufe für andere Kombinationen der Beiwerte C_a, C_v und C_p darstellen, in denen man fortlaufend C_p erhöht, wenn man von 5a zur 5c übergeht und C_v und C_a konstant sind, und
6 die Erfindung in der Form eines Blockschemas darstellt.
Man sieht in 1 in der Frontansicht einen Pkw mit vier Rädern, der mit elastischen Verbindungen 1 ausgestattet ist, die zwischen den Rädern 2 und dem Aufbau 3 angebracht sind. Man sieht in 2 die vier elastischen Verbindungen 1, die zwischen den Rädern 2 und dem Aufbau 3 des Fahrzeugs angebracht sind. Jede elastische Verbindung weist eine vertikale Gleitführung 7, eine wendelförmige Feder 4 und einen elektrischen Stellantrieb 5 in paralleler Anbringung auf. Der elektrische Stellantrieb umfaßt eine Zahnstange 50, die fest mit einem nicht aufgehängten Teil der Verbindung mit dem Boden verbunden ist. Ein Elektromotor 52 ist mit seinem Gehäuse am aufgehängten Teil der Verbindung mit dem Boden befestigt. Ein Ritzel 51 ist auf dem Läufer des Motors angebracht und greift in die Zahnstange 50 ein. Für mehr Einzelheiten bezüglich einer möglichen Konstruktion, die eine Führung der Radebene durch eine vertikale Gleitführung aufweist, kann man die Patentanmeldung EP 0 878 332 zu Rate ziehen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß auch andere Prinzipien der Verbindung einer rollenden Anordnung mit einem Aufbau herangezogen werden können und kompatibel mit der Verwendung eines elektrischen Stellantriebs und einer Feder sind, die parallel angebracht sind.
Der Aufbau 3, der in ausgezogenen Strichen dargestellt ist, erfährt kein Rollen. Dies ist sein natürliches Verhalten bei geradliniger Fahrt. Der Aufbau 3' stellt dagegen eine leichte Überkompensierung des Rollens dar, und man wird auf diesen Aspekt in der Folge noch mehr im einzelnen zurückkommen.
Bekanntlich ist es, damit man eine gegebene Kraft in einem elektrischen Stellantrieb 5 erhält, wie er oben beschrieben ist, notwendig, daß der Motor ein bestimmtes Moment entwickelt. Die Steuerung zum Erhalten einer bestimmten Kraft im elektrischen Stellantrieb 5 kommt daher darauf zurück, daß man das Moment des Motors ansteuert. In einer ganz besonders interessanten Variante benutzt man einen Elektromotor 52, der der Art nach ein selbstgesteuerter Synchronmotor mit Permanentmagneten ist. Diese Art von Motor weist aufgrund seiner Konstruktion Läufer-Lagemeßfühler auf, die verwendet werden, um hiervon die Steuerung sicherzustellen, gleichgültig, wie die Verwendung auch sein mag. In dieser Anwendung benutzt, messen die Meßfühler tatsächlich die Änderung des Abstandes zwischen dem Rad 2 und dem Aufbau 3. Die den Meßfühlern, die im Inneren des Motors sitzen, entstammende Information gelangt zu einer individuellen Steuereinheit 55 des Rades, und zwar über die Kanäle 53.
Die Einheit 55 umfaßt elektronische Mittel, um die Information auszuwerten, die von den genannten, im Inneren des Motors liegenden Meßfühlern her kommen, abhängig von einer solchen Steuerstrategie, daß der elektrische Stellantrieb eine Kraft F = C_a.M_r.A_cr – C_v.V_cr + C_p.K.Z_cr entwickelt. Die Kraft F umfaßt demnach einen Ausgleichsanteil der Masse, bewertet durch den Beiwert C_a, einen Dämpfungsanteil, bewertet durch den Beiwert C_v und einen Feder-Begleitanteil, bewertet durch den Beiwert C_p. Die Beiwerte können experimentell in Abhängigkeit von Ausgangswerten gewählt werden, die unten vorgeschlagen sind.
Die 3a bis 5c gestatten es, die Auswirkungen der verschiedenen Anteile sichtbar zu machen. In diesen Figuren hat man das Profil der Straße dargestellt, das äquivalent ist zur Änderung (in der Ordinate) des Bodenniveaus, abhängig von der Zeit (in der Abszisse), wenn man annimmt, daß das Fahrzeug mit konstanter Geschwindigkeit fährt. Dies ist die Kurve "P". Die horizontale Achse stellt einen Bezug dar, der bestimmt ist durch das mittlere Niveau der Straße. Die Ordinatenwerte sind die Abweichungen von diesem mittleren Niveau. Das Straßenprofil umfaßt demnach einen ersten Absatz ohne Abweichung bezüglich des mittleren Niveaus, gefolgt von einer Erhebung mit trapezförmigem Profil, gefolgt von einem zweiten Absatz ohne Abweichung vom mittleren Niveau. Alle Figuren beziehen sich auf das Überfahren des selben Hindernisses, das heißt, eine Erhöhung des Bodenniveaus, gefolgt von einer Rückkehr auf das anfängliche Niveau (eine isolierte Erhebung). In allen Figuren zeigt die Kurve "Z_r" die Verlagerung des Rades (das heißt, der nicht aufgehängten Masse), die sich aus dem Überfahren des Hindernisses für eine Aufhängung ergibt, die die Eigenschaften aufweist, die jeweils durch jede der Figuren dargestellt wurden. In allen Figuren stellt "Z_c" die Verlagerung des Aufbaus dar, das heißt, der aufgehängten Masse, die sich aus dem Überfahren des Hindernisses für eine Aufhängung ergibt, die die Eigenschaften aufweist, die jeweils durch jede der Figuren dargestellt wurde. Schließlich stellt in jeder der Figuren die Kurve "F" den Verlauf der Kraft im elektrischen Stellantrieb 5 dar, die sich aus dem Überfahren des Hindernisses für eine Aufhängung ergibt, die die Eigenschaften aufweist, die jeweils durch jede der Figuren dargestellt wurde.
Die 3a, 3b und 3c stellen die Auswirkung der Kompensierung der nicht aufgehängten Masse durch eine Veränderung des Beiwerts C_a dar, wobei die Beiwerte C_v und C_p konstante Werte haben. Der Beiwert C_a ist Null in 3a. Man konnte interessante Leistungen bei der Kompensierung bis etwa 50% der nicht aufgehängten Masse beobachten. Der Zwischenwert der 3b entspricht einer Kompensierung von etwa 30% der nicht aufgehängten Masse. Der Wert der 3c entspricht einer Kompensierung von etwa 70% der nicht aufgehängten Masse. Die Störung, die durch das Straßenprofil eingebracht wird, und die Reaktion der Kraft F haben eine Verlagerung der nicht aufgehängten Masse, dargestellt durch die Kurve Z_r, und eine Verlagerung des Aufbaus zum Ergebnis, dargestellt durch die Kurve Z_c. Man sieht, daß die Verlagerung der nicht aufgehängten Masse viel treuer dem Profil der Straße folgt, wenn der Beiwert C_a nicht Null ist. Wenn man für diesen Anteil ein größeres Gewicht heranzieht, gibt es nach den Durchgang des Hindernisses praktisch keine Schwingung mehr, was für die Sicherheit sehr vorteilhaft ist. Man sieht auch, daß, wenn das Gewicht dieses Anteils größer wird, auf die Bewegung, die durch den Aufbau erfahren wird, im wesentlichen nicht eingewirkt wird. Zusammenfassend gestattet es die Erfindung, die Sicherheit zu erhöhen, ohne den Komfort zu mindern.
Die 4a, 4b und 4c stellen die Auswirkung der Dämpfung durch eine Veränderung des Beiwerts C_v dar, wobei die Beiwerte C_a und C_p konstante Werte haben. Der Beiwert C_v ist gering in 4a, weist einen mittleren Wert in 4b auf, und einen höheren Wert in 4c. Um einen Anfangswert von C_v zu wählen, nimmt man zum Kriterium, daß die Amplitude der zweiten Schwingung um 90% abgeschwächt sein soll, bezogen auf die Amplitude der ersten. Man sieht durch die Kurven F, daß sich im elektrischen Stellantrieb 5 eine um so größere Kraft einstellt, wenn man die Dämpfung erhöht. Die Störung, die durch das Straßenprofil aufgebracht wurde, und die Reaktionskraft F haben eine Verlagerung der nicht aufgehängten Masse zum Ergebnis, die durch die Kurve Z_r dargestellt ist, und eine Verlagerung des Aufbaus, die durch die Kurve Z_c dargestellt ist. Man sieht, daß die Verlagerung der nicht aufgehängten Masse treu dem Straßenprofil für die beiden höheren Werte des Beiwerts C_v folgt. Es gibt nach dem Durchlauf des Hindernisses praktisch kein Schwingen des Rades, was für die Sicherheit sehr vorteilhaft ist. Dagegen sieht man, daß, wenn die Amplitude der Bewegung des Aufbaus auch kaum betroffen ist, die Steigung der Kurve immer steiler wird, was das Zeichen einer sehr viel höheren Beschleunigung ist, was dem Komfort schadet.
Die 5a, 5b und 5c stellen die Auswirkung der Kompensierung der Feder dar, wenn man ihre erkennbare Steifigkeit ändert, wie es in der Patentanmeldung EO 0 878 333 erläutert ist, und zwar durch eine Änderung des Beiwerts C_p, wobei die Beiwerte C_a und C_v konstante Werte haben. Der Beiwert C_p ist in 5a Null. Der Beiwert C_p beträgt 1, wenn der elektrische Stellantrieb als reiner Profilfolger funktioniert, in dem Sinn, der diesem Ausdruck im vorgenannten Patent verliehen wurde. Dieser Beiwert ist nicht unabhängig von der Feder gewählt. Je steifer man eine Feder wählt, desto zweckmäßiger ist es, diesem Anteil Gewicht zu verleihen, wenn man den Komfort bewahren möchte. Man hat interessante Leistungen bis zu etwa 80% eines Verhaltens als reiner Profilfolger beobachtet. Der Beiwert beträgt 0,4 in 5b und 0,8 in 5c. Man sieht durch die Kurven F, daß, sobald das Rad auf das Hindernis trifft, sich im elektrischen Stellantrieb 5 eine Kraft einstellt, die die Feder 4 zusammendrückt, was es dem Rad 2 gestattet, das Hindernis hinaufzulaufen, wobei die Beschleunigung gemindert wird, die der Aufbau 3 erfährt. Die Störung, die durch das Straßenprofil aufgebracht wird, und die Reaktionskraft F haben eine Verlagerung der nicht aufgehängten Masse zum Ergebnis, die durch die Kurve Z_r dargestellt ist, und eine Verlagerung des Aufbaus, die durch die Kurve Z_c dargestellt ist. Man sieht, daß die Verlagerung der nicht aufgehängten Masse ein bißchen weniger treu dem Straßenprofil folgt, wenn der Beiwert C_p nicht Null ist. Es tritt eine leichte Schwingung der nicht aufgehängten Masse nach der anfänglichen Kompressionsphase auf. Man sieht auch, daß, besonders in 5c, wenn das Gewicht dieses Anteils sehr erheblich ist, der Aufbau eine Bewegung mit kleinerer Amplitude erfährt, und besonders, daß die Steigung der Kurve weniger steil ist, das Zeichen einer geringeren Beschleunigung, was für den Komfort sehr günstig ist.
In der Zusammenfassung stellen die 3b (Ausbildungen identisch zu den 4b und 5b) und 5c gute Kombinationen der Werte der Beiwerte dar. Es ist indes schwierig, Kombinationen vorzuschlagen, die universellen Wert haben. Es ist zweckmäßig, experimentell vorzugehen, um auszuwählen, was am besten zu einem gegebenen Fahrzeug paßt. Aber im Gegensatz zu herkömmlichen Aufhängungen erfolgt die Suche nach der besten Lösung hier durch einfaches Programmieren. Es ist demnach sehr viel rascher, effektiver und ökonomischer, eine große Zahl vom Kombinationen von Merkmalen zu überstreichen, denn es gibt keinerlei mechanisches Teil, das zu wechseln wäre.
Es soll nun die (nicht einschränkende) Möglichkeit erläutert werden, eine Entspannung der Kraft einzusetzen, die im elektrischen Stellantrieb entwickelt wird. Die Steuereinheit 55 empfängt von Meßfühlern im Inneren des Motors her über den Kanal 53 die Information über die augenblickliche, gemessene Lage "Z_im" des elektrischen Stellantriebs (siehe 6). Ein Funktionsblock 70 der Einheit 55 errechnet von neuem ständig die Gleichgewichtslage, die mit Z₀ bezeichnet ist, in der die Kraft der Feder 4 genau die statische Last des Aufbaus kompensiert. Diese Gleichgewichtslage Z₀ wird zum Beispiel erhalten, indem man den Wert Z_im über einen verhältnismäßig langen Zeitraum (zum Beispiel in der Größenordnung von 10 Sekunden) mittelt. Von den Informationen Z_im und Z₀ ausgehend kann man unmittelbar und durch Differenz den Abstand Z_cr = Z_im – Z₀ bezüglich der Gleichgewichtslage ableiten. Die Einheit 55 errechnet ständig die auszuübende Kraft F in einer vorbestimmten Probenperiode (zum Beispiel alle Millisekunden). Im Verlauf der aufeinanderfolgenden Berechnungen paßt die Einheit 55 fortlaufend die Kraft des elektrischen Stellantriebs an die Abweichungen der Durchfederung an, mit einem permanenten Charakter, um fortlaufend die Korrektur aufgrund deren aufzuheben. Dies stellt eine gewissen Entspannung sicher.
Ausgehend vom Wert von Z_cr, seiner ersten Ableitung (Geschwindigkeit) und seiner zweiten Ableitung (Beschleunigung) errechnet dann ein Funktionsblock 71 den Wert von F wie oben erläutert, wobei die Auswahlen berücksichtigt werden, die für die Beiwerte getroffen wurden.
In vorteilhafter Weise kann man durch eine Stufe der globalen Steuerung der Anordnung der Verbindungen mit dem Boden des Fahrzeugs eine aktive Kompensierung des Rollens und Nickens sicherstellen, Phänomenen von Trimmungsänderungen, die durchaus bekannt sind und gleichzeitig für den Komfort und die Sicherheit schädlich sind.
Man hat in 1 gesehen, daß der Aufbau 3, der in ausgezogenen Linien dargestellt ist, kein Rollen erfährt. Dies ist sein natürliches Verhalten bei geradliniger Fahrt. Es sei vermerkt, daß die Mitte des Rollens des Aufbaus unter seinem Schwerpunkt liegt, und zwar für eine Aufhängung, die eine Führung der Radebenen durch eine vertikale Kulisse hat, gemäß der Patentanmeldung EP 0 878 332 . Wenn eine Fliehkraft C auftritt, die auf den Schwerpunkt CG wirkt, wird sich der Aufbau, außerhalb jeder aktiven Korrektur, mit einem Rollwinkel zur Außenseite der Kurve neigen, der von der Fliehkraft und der Flexibiltät der Aufhängungen abhängt.
Die erfindungsgemäße Aufhängungsvorrichtung weist Mittel zur Bewertung einer solchen Belastung auf, die nicht vertikal ist und parallel zur Geraden ausgerichtet ist, die die Mitten der Berührungsflächen mit dem Boden der betrachteten Räder verbindet, die hier an einer Achse auftritt, da man ja den Fall des Rollens darlegt. Man widersetzt sich diesem Phänomen, indem man in den elektrischen Stellantrieben 5 einen Korrekturanteil +C₁ auf der Außenseite der Kurve und –C₁ auf der Innenseite der Kurve entwickelt. Indem man die Amplitude dieser Korrektur beeinflußt, kann man den Rollwinkel begrenzen oder ihn sogar überkompensieren, wie es durch den Aufbau 3' gezeigt ist, der gestrichelt dargestellt ist. Man bezeichnet unten das Rollen und das Nicken ohne Unterscheidung mit "Veränderung der Trimmung".
Für jede Verbindung mit dem Boden fügt man außer einer individuellen Steuerung, die durch eine Steuereinheit 55 sichergestellt wird, die es gestattet, im genannten elektrischen Stellantrieb 5 eine Kraft zu entwickeln, die mindestens einen Anteil zur Kompensierung der nicht aufgehängten Masse, der Dämpfung und gegebenenfalls der Federkorrektur aufweist, wie oben erläutert, einen Anteil F₄ zur Korrektur der Trimmung hinzu. Wenn man zum Beispiel ein Fahrzeug betrachtet, das mindestens zwei Verbindungen mit dem Boden aufweist, die eine Achse bilden, dann sind die genannten Verbindungen mit dem Boden beiderseits der Symmetrie-Mittelebene angebracht, und die Steuerung wird derart program miert, daß man ein Korrekturmoment der Trimmung erzeugt, das sich dem Rollen entgegensetzt. Wenn man ein Fahrzeug betrachtet, das mindestens zwei Verbindung mit dem Boden aufweist und eine vordere Verbindung und eine hintere Verbindung umfaßt, wird die Steuerung jedoch derart programmiert, daß man ein Korrekturmoment der Trimmung erzeugt, das das Nicken steuert. Die Erfindung richtet sich, worauf ausdrücklich hingewiesen wird, auf ein Fahrzeug, das mindestens vier Verbindungen mit dem Boden aufweist, die eine vordere Achse und eine hintere Achse bilden, wobei die Steuerung derart programmiert wird, daß sie ein Korrekturmoment der Trimmung erzeugt, das gleichzeitig das Rollen und das Nicken steuert.
Die Steuerung der Korrekturanteile der Trimmung ist zentral zusammengefaßt, denn sie betrifft global das Gleichgewicht des Fahrzeugs. Sie wird durch eine Zentraleinheit 6 sichergestellt. Bevorzugt, zumindest für ein Fahrzeug mit vier Rädern, stellt die Zentraleinheit 6 mindestens eine Korrektur des Rollens sicher. Vorteilhafterweise kann die Zentraleinheit 6 außerdem eine Korrektur des Nickens des Fahrzeuges sicherstellen oder stellt sie sicher.
Wenn man, worauf ausdrücklich hingewiesen wird, gleichzeitig das Rollen und das Nicken kompensiert, dann ist jede der genannten Verbindungen mit dem Boden imstande, von den Mitteln zum Steuern der elektrischen Stellantriebe eine Vorschrift für die Kraft zu erhalten, die die Resultierende eines Beitrags für die Korrektur des Rollens und eines Beitrags für die Korrektur des Nickens ist. Für jeden elektrischen Stellantrieb ist der gesamte Anteil zur Korrektur der Trimmung die algebraische Summe eines relativen Beitrags zum Rollen und eines relativen Beitrags zum Nicken. Im Fall des reinen Rollens (kein Nicken) oder des reinen Nickens (kein Rollen) haben die Korrekturanteile gleiche Absolutwerte und sind zueinander auf der einen und der anderen Seite des Fahrzeugs entgegengerichtet.
Es soll zum Beispiel ein reiner Rollvorgang verfolgt werden. Die genannten Korrekturanteile des Rollens haben gleiche Absolutwerte und sind zueinander in jeder Achse (eine Achse bildet eine Gruppe von Verbindungen mit dem Boden) entgegengerichtet, um auf den Aufbau 3 ein Antirollmoment aufzubringen. Das Rollen kann nur teilweise kompensiert werden (geringerer Energieaufwand), oder vollständig (besserer Komfort, bessere Funktion der Reifen), oder kann sogar überkompensiert werden, wie oben erwähnt, um noch radikaler die Wirkungsweise eines Fahrzeuges wie eines Pkw mit vier Rädern zu verbessern. Je höher die Kompensierung ist, desto mehr muß man imstande sein, ein bedeutendes Moment in den Motoren 52 zu entwickeln, und es während der Zeit aufrechterhalten, die die Querbelastungen (oder Längsbelastungen) dauern, die deutlich länger sind als die Belastungen, die dem höckerigen Charakter der Straße entstammen, wobei man den Dämpfungsanteil anspricht, von dem man unten noch sprechen wird.
Man kann Meßfühler 61, 62, 63 verwenden, wie zum Beispiel Beschleunigungsmesser, die mit dem Aufbau verbunden sind, um eine nicht vertikale Belastung zu bewerten. Es kann sich um die Querbeschleunigung und/oder die Schlingergeschwindigkeit handeln (die ein Rollen zur Folge hat). Man kann auch die Längsbeschleunigung bewerten (die das Nicken zur Folge hat). Diese Wertung oder Wertungen gestatten es, ein geeignetes Moment oder geeignete Momente zur Korrektur der Trimmung zu entwickeln.
In einer Variante kann man Meßfühler verwenden, die es gestatten, Parameter zu bewerten, die Indikatoren der Fahrbedingungen des Fahrzeugs sind. Dies ist zum Beispiel ein Meßfühler des Winkels am Lenkrad, des Drucks der Bremsen, der Wirkung auf das Gaspedal, und ein Fahrzeug-Geschwindigkeitsmeßfühler. Dies kann gestatten, bezüglich des Augenblicks, in dem sie auftreten, Beschleunigungen parallel zum Boden (Querbeschleunigung, Längsbeschleunigung) vorwegzunehmen. Man kann in diesem Fall Steuerstrategien benutzen, die die der Tätigkeiten des Fahrers beobachten und die möglichen Folgen auf das Rollverhalten (und auf das Nickverhalten) abschätzen, und man bestimmt die geeignete Trimmungskorrektur.
Es ist, worauf ausdrücklich hingewiesen wird, möglich, eine Änderung der Trimmung der aufgehängten Masse hervorzurufen, indem auf eine beliebige Art von Befehl angesprochen wird. Zum Beispiel kann man, selbst wenn keine Längsbeschleunigung vorliegt, die an den Aufbau angelegt wird, die Steuermittel derart ansteuern, daß, wenn ein Moment eine Querbeschleunigung überkompensiert, dies von einem freiwilligen, leichten Abtauchen des Fahrzeugs begleitet sein soll. Dieses Beispiel ist nur genannt, um zum Verständnis zu bringen, daß es eine unbegrenzte Menge möglicher aktiver Steuerungsvorgänge gibt.
In vorteilhafter Weise gestattet es die Erfindung auch, in Echtzeit und sehr einfach die Aufteilung der genannten Roll-Korrekturanteile zwischen Vorderachse und Hinterachse zu steuern. Wenn man ein Gesamt-Antirollmoment als gegeben annimmt, das auf den Aufbau einwirkt, dann ist der Anteil der Rollkorrektur, der von der Hinterachse geliefert wird, um so größer, je mehr das Fahrzeug zu einem übersteuerenden Verhalten neigt, und umgekehrt. Man kann die Kurventrägheit des Fahr zeugs zum Beispiel an der Einfahrt in eine Kurve überwinden, indem man sehr flüchtig einen größeren Teil der Antirollwirkung am Hinterrad anlegt, und dann kann man die Bewegungsbahn des Fahrzeugs stabilisieren, indem man ihm dadurch einen kurventreueren Charakter verleiht, daß der Teil der Rollwirkung vorne größer wird. Indem man die vom Fahrer gewünschte Bewegungsbahn mit der tatsächlichen Bewegungsbahn des Fahrzeugs vergleicht, nach Art von Stabilisierungsvorrichtungen, die unter der Bezeichnung "ESP" bekannt sind, kann man eine Stabilisierungswirkung erhalten, indem man dynamisch auf die Aufteilung des Roll-Korrekturmomentes zwischen Vorder- und Hinterseite des Fahrzeugs einwirkt. Die Erfindung richtet sich demnach in einer speziellen Ausführungsweise an ein Fahrzeug, das mindestens eine Vorderachse und eine Hinterachse aufweist, die jeweils zwei Verbindungen mit dem Boden haben, die beiderseits der Symmetrie-Mittelebene des Fahrzeugs angebracht sind, wobei die genannten Steuermittel in Echtzeit die Aufteilung der genannten Trimmungs-Korrekturanteile zwischen der Vorderachse und der Hinterachse steuern, die sich dem Rollen entgegensetzen.
Ebenso hängt die Korrektur beim Nicken eines Aufbaus eines Pkw mit 4 Rädern ab von einem globalen Nick-Korrekturmoment, und man kann beiderseits der Symmetrieebene des Fahrzeugs, gegebenenfalls durch eine Steuerung in Echtzeit, die Korrekturanteile aufteilen, die auf das Nicken einwirken. Die Erfindung richtet sich demnach in einer speziellen Ausführungsweise an ein Fahrzeug, das mindestens eine Vorderachse und eine Hinterachse umfaßt, die jeweils zwei Verbindungen mit dem Boden aufweisen, die beiderseits der Symmetrie-Mittelebene des Fahrzeugs angebracht sind, wobei die genannten Steuermittel in Echtzeit die Aufteilung beiderseits der Symmetrie-Mittelebene des Fahrzeugs der genannten Korrekturanteile steuern, die auf das Nicken einwirken.
Was schließlich die Beiwerte C_a, C_v und C_p angeht, so soll noch angezeigt werden, daß diese in Echtzeit angepaßt werden können, um zum Beispiel den Effekt einer variablen Flexibilität (dynamische Anpassung von C_p), oder eine variable Dämpfung (Anpassung von C_v) zu erzeugen, oder um die Begleitung der Feder und/oder die Kompensation der nicht aufgehängten Masse zu verringern (dynamische Anpassung von C_p und/oder C_a), oder wenn zum Beispiel ein Anteil zur Trimmungskorrektur eingeführt wird (siehe oben), dann kann man den Wert der Beiwerte C_p und C_a aufgrund des unvermeidlich begrenzten Charakters verfügbarer elektrischer Leistung verringern, um der Trimmungskorrektur den Vorrang einzuräumen.
In einer letzten Anmerkung soll noch unterstrichen werden, daß man auch, wie es in der Patentanmeldung EP 0 878 333 angegeben ist, eine Korrektur des Bodenabstandes (das ist eine Korrektur der Höhe bezüglich des Bodens) des Aufbaus herbeiführen könnte, um zum Beispiel einen konstanten Bodenabstand zu erhalten, wie die statische Last des Fahrzeugs auch sein mag. Aber man muß dann hinnehmen, ständig Energie zu verbrauchen, damit der Anteil der Last, der das tote Gewicht des Fahrzeuges überschreitet, vom elektrischen Stellantrieb getragen wird. Das setzt tatsächlich voraus, daß ein Bruchteil des Trimmungs-Korrekturanteils sich ständig der genannten Last entgegensetzt, die das tote Gewicht überschreitet, was mit dem Prinzip der Erfindung nicht inkompatibel ist, aber das Herstellen eines ständigen Stromanteils in den elektrischen Stellantrieben erfordert. Es erscheint indessen zu bevorzugen zu sein, die Höhenkorrektur zu übergehen, oder die Funktion der Höhenkorrektur einer anderen Vorrichtung als dem genannten, elektrischen Stellantrieb vorzubehalten, wobei diese andere Vorrichtung mit einer großen Zeitkonstanz wirkt und nur während der Phase der Korrektur Energie verbraucht.

Claims

Aufhängungsvorrichtung für ein Fahrzeug, die die Steuerung des vertikalen Durchfederns zwischen einer aufgehängten Masse und einer nicht aufgehängten Masse sicherstellt, mit einer elastischen Verbindung (1), die zwischen der aufgehängten Masse und der nicht aufgehängten Masse angebracht ist, wobei die genannte, elastische Verbindung (1) eine Feder (4) aufweist und einen umkehrbaren, elektrischen Stellantrieb (5) aufweist, der parallel zur Feder (4) wirksam ist, um die Bewegungen relativen Durchfederns zwischen der aufgehängten Masse und der nicht aufgehängten Masse zu steuern, Z_cr der Abstand zwischen einem Punkt der aufgehängten Masse und einem Punkt der nicht aufgehängten Masse ist, und die genannte Vorrichtung Mittel zum Steuern des elektrischen Stellantriebs aufweist, damit, von einer beobachteten Änderung des Abstandes Z_cr ausgehend, infolge eines Durchfederns der elastischen Verbindung, der elektrische Stellantrieb eine Kraft F entwickelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft F ein Massenausgleichsanteil F₁ = C_a.M_r.A_cr ist, der wie die Beschleunigung A_cr des Durchfederns der nicht aufgehängten Masse in Bezug auf die aufgehängte Masse orientiert ist, wobei M_r die nicht aufgehängte Masse und Ca ein Beiwert ist, so daß sich ein Dämpfungsanteil F₂ = –C_v.V_cr der Geschwindigkeit V_cr dem genannten Durchfedern entgegensetzt, wobei C_v ein Beiwert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der elektrische Stellantrieb von den genannten Steuermitteln derart gesteuert wird, daß er eine Kraft F entwickelt, die außerdem einen Feder-Begleitanteil F₃ = C_p.K.Z_cr aufweist, der umgekehrt zur Änderung der Kraft orientiert ist, die durch die Feder und aufgrund der Änderung des Abstandes Z_cr entwickelt wird, der durch das genannte Durchfedern veranlaßt wird, wobei K die Steifigkeit der Feder und C_p ein Beiwert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, worin der Wert der Beiwerte in Echtzeit in Funktion der Parameter angepaßt wird, die die Fahrbedingungen des Fahrzeugs angeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Einheit (55) eine Gleichgewichtslage Z_o für den Abstand zwischen der aufgehängten Masse und der nicht aufgehängten Masse errechnet, in welcher die Kraft der Feder (4) genau die aufgehängte Masse kompensiert, indem sie den gegenwärtigen Absolutwert Z_im der Relativlage der nicht aufgehängten Masse bezüglich der aufgehängten Masse mittelt, und erneut Z_cr = Z_im–Z_o errechnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der elektrische Stellantrieb (5) einen Elektromotor (52) aufweist, der dem Typ nach ein selbstgesteuerter Synchronmotor mit Permanentmagneten ist, und worin die Steuermittel die Änderung der Relativlage zwischen dem aufgehängten Punkt und dem nicht aufgehängten Punkt gänzlich aus einer Messung der Änderung der Lage bestimmen, die von in den Elektromotor integrierten Meßfühlern geliefert wird.
Gesamt-Aufhängungsvorrichtung eines Fahrzeugs, das eine aufgehängte Masse und mindestens eine Gruppe von zwei Verbindungen mit dem Boden mit einer Aufhängungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, worin die elektrischen Stellantriebe durch die genannten Steuermittel derart gesteuert werden, daß sie eine Kraft F entwickeln, die außerdem einen Trimmungs-Korrekturanteil F₄ aufweist, wobei der genannte Trimmungs-Korrekturanteil an den genannten Aufbau ein Moment zur Korrektur der Trimmung aufbringt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die Steuermittel Mittel zum Bewerten einer nicht vertikalen Belastung aufweisen, die auf die aufgehängte Masse aufgebracht wird und in der Lage ist, eine Änderung der Trimmung der aufgehängten Masse hervorzurufen, und zum Berechnen des Trimmungs-Korrekuranteils.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die genannten, mindestens zwei Verbindungen mit dem Boden eine Achse bilden, wobei die genannten Verbindungen mit dem Boden beiderseits der Symmetrie-Mittelebene des Fahrzeugs derart angebracht sind, daß das genannte Trimmungs-Korrekturmoment sich dem Rollen entgegensetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die genannten, mindestens zwei Verbindungen mit dem Boden eine vordere Verbindung mit dem Boden und eine hintere Verbindung mit dem Boden aufweisen, so daß das genannte Trimmungs-Korrekturmoment sich dem Nicken entgegensetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, für ein Fahrzeug, das mindestens vier Verbindungen mit dem Boden aufweist, die eine vordere Achse und eine hintere Achse bilden, worin sich das genannten Trimmungs-Korrekturmoment gleichzeitig dem Rollen und dem Nicken entgegensetzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, für ein Fahrzeug, das mindestens eine Vorderachse und eine Hinterachse aufweist, die jeweils zwei Verbindungen mit dem Boden aufweisen, die beiderseits der Symmetrie-Mittelebene des Fahrzeugs angebracht sind, wobei die ge nannten Steuermittel in Echtzeit die Aufteilung der genannten Trimmungs-Korrekturanteile steuern, die sich dem Rollen entgegensetzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, für ein Fahrzeug, das mindestens eine Vorderachse und eine Hinterachse aufweist, die jeweils zwei Verbindungen mit dem Boden aufweisen, die beiderseits der Symmetrie-Mittelebene des Fahrzeugs angebracht sind, wobei die genannten Steuermittel in Echtzeit die Aufteilung der genannten Korrekturanteile, die sich dem Nicken entgegensetzen, beiderseits der Symmetrie-Mittelebene steuern.