DE2738455A1 - Aktive schwingungsdaempfer - Google Patents

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Stuttgart -Untevtürkheini Da im 11 5o9 /k

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Aktive Schwingungsdämpfer

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung an Rädern von Radfahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, mit ihren ungefederten Radmassen, über denen unter Zwischenschaltung jeweils eines von einem Ventil betätigten ServozylInders für die Krafterzeugung die Aufbaumasse angeordnet ist, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dies·· Verfahrens.

Bei allen Radfahrzeugen, gleichgültig, ob sie spurgebunden oder nichtspurgebunden sind, wie beispielsweise auf der einen Seite die Eisenbahn oder auf der anderen Seite das Automobil, sind zwischen der Achse und dem Aufbau sogenannte passive Feder-Dämpfer-Elemente eingeführt, die dafür sorgen, daß einerseits ein ausreichender Fahrkomfort in Beziehung auf die vertikalen Beschleunigungen vorhanden ist, die bei Anregungen über Straßenstörungen entstehen, und andererseits ausreichende Fahrsicherheit im Hinblick auf eine ausreichende dynamische Radlast, nämlich die Schwankung der Kraft zwischen Rad und Boden gewährleistet ist.

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Diese beiden Forderungen an das vertikale Schwingungsverhalten von Radfahrzeugen sind widersprüchlich, da nämlich eine Verbesserung des Komforts, beispielsweise durch Einführung einer zu weichen Feder, zu einer Verschlechterung der Fahrsicherheit und umgekehrt führt. Deshalb stellt die Abstimmung einer Fahrzeugfederung immer einen Kompromiß dar, der über eine bestimmte vom System einer passiven Schwingungsdämpfung her gegebene Grenze nicht verbessert werden kann.

Das ist auch ein wesentlicher Grund, weshalb seit langer Zeit immer wieder Konstruktionen auftauchen, die eine aktive Schwingungsdämpfung verwenden, wobei anstelle der passiven Federdämpferanordnung ein Hydraulikelement tritt, das durch ein Ventil, meistens mechanisch, mit Drucköl versorgt wird. Dieser Stand der Technik ist in folgenden Veröffentlichungen beschrieben:

1. J. N. Federspiel-Labrosse: Beitrag zum Studium und zur Vervollkommnung der Aufhängung der Fahrzeuge.

ATZ, Nr. 3, März 1955. Seite 63 - 71

2. R. K. Hodkin: A New Development in Air Suspension

11. Internationaler automobiltechnischer Kongreß vom

12. - 16. Juni i960 in München

3. F. Behles: Federung und Dämpfung unter den Gesichtspunkten der Fahrsicherheit und des Komforts

ATZ, Nr. 72, Mai 197o, Seite 179 - I83.

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Keines dieser in den genannten Veröffentlichungen beschriebenen Systeme hat sich aber bisher durchgesetzt. Dies liegt vor allem an den besonderen Schwierigkeiten bei der Konzipierung einer sogenannten aktiven Federung. Es handelt sich dabei nämlich um ein außerordentlich komplexes Regelproblem, bei dem eine Vielzahl von Parametern bestimmt werden muß·

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Probleme einer praktisch durchführbaren Lösung zuzuführen. Dabei handelt es sich um ein Mehrgrößenregelsystem. Geeignete theoretische Verfahren für eine Analyse und Synthese dieser Mehrgrößenregel sy st eme sind erst in den letzten Jahren auf dem Luft- und Raumfahrtgebiet entstanden. Pur das Kraftfahrzeuggebiet ist die Anwendung der Mehrgrößenregelsysteme neu. Es fehlten bisher auch geeignete Beurteilungskriterien, die eine möglichst objektive Bewertung des Schwingungsverhaltens ermöglichen, wenn man auch Messungen an Fahrzeugen und Fahrzeugsimulatoren heranzuziehen versuchte. Eine Lösung der beschriebenen Schwierigkeiten ist nur durch gründliche theoretiehe Vorbereitung möglich, wobei die Regelungstheorie, die auch Systemtheorie genannt wird, mit herangezogen wird, die es gestattet ein sogenanntes Mehrgrößenregelsystem zu untersuchen. Zu Hilfe genommen wird hierbei die lineare Algebra der numerischen Mathematik und die digitale Rechentechnik.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß das verwendete Ventil ein Elektrohydraulikventil ist, das elektrohydraulisch angesteuert wird, wozu als Meß-

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signale der Relativabstand cC(t) des Aufbaues von Rad, die Relativgeschwindigkeit oT'(t) bei der Bewegung der beiden zueinander und der Druckunterschied Δ p(t) im Servozylinder verwendet werden.

Die Untersuchung wird dabei nicht für das reale physikalische System, sondern für ein stark abstrahiertes Ersatzmodell durchgeführt, wobei als Grundelemente die Aufbaumasse m. mit dem Ausschlag x., die ungefederte Radmasse m_ mit dem Ausschlag x_, der Servozylinder m_ zur Krafterzeugung mit dem Ausschlag x_ und das elektrohydraulische Ventil V zur Ansteuerung des ServozylInders dienen.

Als Meßsignale werden der Relativabstand o^(t) = x. - x_, die RelatiTgeschwiüigkeit <f '(t) = x'_A - x'_R und der Druckunterschied Δ p( t) im Servozylinder verwendet. Diese Meßsignale werden in einem besonderen Teil des Reglers, dem sogenannten Störbeobachter aufbereitet und dann im eigentlichen Regler in das Regelsignal umgesetzt, mit dem das elektrohydraulische Ventil angesteuert wird.

Zwischen dem Arbeitszylinder und dem Aufbau ist noch.eine Zusatzfederung und -dämpfung vorgesehen, die die Resonanzfrequenz des elektrohydraulisehen Ventils bei etwa 1oo Hz abbaut.

Zur Erfindung haben auch theoretische Überlegungen geführt, davon ausgehend, daß die Aufbereitung der Meßsignale im Störbeobachter eine ganz besondere Rolle spielen. Somit kann man nach der sogenannten Luenbergerschen Beobachtungstheorie, die in der Regelungetheorie mittlerweile einen festen Platz hat,

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unter bestimmten algebraischen, nachprüfbaren Voraussetzungen aus gemessenen Größen am System, das geregelt werden soll, den gesamten Systemzustand, nämlich alle Größen, die das Systemverhalten beschreiben, kontinuierlich rekonstruieren und damit eine Regelung aufbauen.

Die Regelung soll nun im wesentlichen dazu dienen, die Wirkung von Störungen auf das System zu verringern, die hauptsächlich über die Straße in dieses System kommen.

Die Wirksamkeit der Regelung kann nun ganz erheblich gesteigert werden, wenn im Regler Informationen über diese Störungen mitverarbeitet werden.

Da die über die Straße auftretenden Störungen stochastisch sind, d. h. nicht vorhersehbar und auch nicht direkt meßbar sind, wurde eine Erweiterung des Luenbergersehen Beobachters vorgeschlagen, der es gestattet, aus Messungen am System selbst auch Informationen über die am System angreifenden Störungen zu erhalten und in die Regelung mit «inzubeziehen* In den Veröffentlichungen von Müller und Lücke1 in "Regelungstechnik" : "Zur Theorie der Störgrößenaufschaltung in linearen MeßgrSßensyetemen" und "Verallgemeinerte Störgrößenaufschaltung bei unvollständiger Zustandskompensation am Beispiel einer aktiven Federung" wurde die Theorie des Störbeobachters erheblich erweitert, so daß, wie in dem zuletzt genannten Aufsatz am Beispiel einer aktiven Feder gezeigt wurde, auch die widersprüchliche Forderung nach Komfort und Fahrsicherheit gemeinsam erfüllt werden kann.

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Ein derartiger Störbeobachter, dem als Meßgerüst die Signale oT(t), <Γ·(ί) undAp(t) zugeführt werden, wird in erfindungsgemäßer Weise als Teil der Regelung mit vorgesehen.

Um Energie zu sparen, soll nun die statische Last des Aufbaues durch eine Zusatzeinrichtung dynamisch abgekoppelt werden. Dazu wird parallel zum Servozylinder ein zweiter Zylinder geschaltet, der mit einem hydropneumatisehen Speicher verbunden ist. Die Federkonstante dieses Speichers ist im Hinblick auf die zugehörige Eigenfrequenz sehr niedrig· Dadurch wird die dynamische Abkupplung erreicht.

Diese Anordnung kann gleichzeitig dazu benutzt werden, eine Niveauregulierung durchzuführen. Dazu wird an den hydropneumatischen Speicher über ein 3/3-Wegeventil mit sehr kleinem Querschnitt eine Druckölleitung angeschlossen. Das Ventil wird mechanisch immer dann betätigt, wenn die vorgegebene Niveaulage verlassen wird. Durch den kleinen Strömungequerschnitt geschieht der Zu- und Abfluß von Öl sehr langsam, so daß die dynamische Bewegung und vor alles die Regelung der aktiven Feder nicht gestört werden.

Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfung wird nun ein· Vorrichtung mit einem innerhalb «ines Zylinders längsverschieblichen Kolben und mit einer den Zylinder umschließenden Arbeitskammer für die Niveauregulierung verwendet, bei der die Kolbenstange mit dem die Arbeitskammer umschließenden Zylindergehäuse an der Radanlenkung befestigt ist und das Arbeitskammerzylindergehäuse den stufenförmig ausgebildeten Zylinder aufnimmt, dessen oberes Ende mit d«m Aufbau verbunden ist. Für

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eine Zwischenfederdämpfung kann zwischen dem oberen Abschluß des Zylinders und dem Aufbau ein als Feder-Dämpfer-Element dienendes Schwingmetall angeordnet sein. Weiterhin werden die Innenräume des Zylinders oberhalb und unterhalb des Kolbens mit Anschlußnippeln versehen, die über entsprechende Hydraulikleitungen mit je einem Anschluß des Elektrohydraulikventils verbunden sind.

Das Innere der Arbeitskammer kann im übrigen einen Anschlußnippel aufweisen, der mit einem Hydropneumatikspeicher verbunden ist. Dieser Hydropneumatikspeicher kann über ein 3/3-Wegeventil an einer Pumpe angeschlossen sein, die je nach der Stellung des 3/3-Wegeventils den Druck im Hydraulikspeicher erhöht oder erniedrigt. Das Ventil wird mechanisch immer dann betätigt, wenn die vorgegebene Niveaulage verlassen wird. Durch den kleinen Strömungsquerschnitt geschieht dieser Zu- und Abfluß von Öl sehr langsam, so daß die dynamische Bewegung und vor allem die Regelung der aktiven Feder nicht gestört werden.

Der Störbeobachter verwendet die Meßsignale cT(t), <f '(t) und p(t) für eine Berechnung von Schätzwerten, die im Regler weiterverarbeitet werden, der das einerseits mit einer Pumpe und andererseits mit einem Ölvorratsbehälter in Verbindung stehende Elektrohydraulikventil betätigt. Schließlich wird der Regler, der Störinfomation^nitverarbeitet, an den Störbeobachter rückgekoppelt, und das 3/3-Vegeventil und die damit zugehörige Pumpe können willkürlich betätigbar sein.

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Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfiihrungsbeispielen in der folgenden Beschreibung näher erläutert, der auch weitere Einzelheiten des Gegenstandes der Erfindung entnommen werden können. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäOen Dämpfungssystems,

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung mit einer Zwischenfed e rdämp fung,

Fig. 3 das gesamte System im Zusammenhang mit einem Federbein mit Anschlüssen für eine im oberen Bereich der Zeichnung dargestellte aktive Feder und eine im unteren Bereich der Zeichnung dargestellte Niveauregulierung,

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch das Federbein in der erfindungsgemäßen Ausführung.

In Fig. 1 ist das Schema einer erfindungsgemäßen aktiven Schwingungsdämpfung dargestellt. In dieser Figur bezeichnet m die Aufbaumasse, während m_ die ungefederte Radmasse darstellt. Zwischen beiden ist der Servozylinder 1 zur Krafterzeugung angeordnet, der von einem elektrohydraulischen Ventil2 gesteuert ist. Die gegeneinanderschwingenden Meßgrößen, nämlich der Ausschlag χ. für die Aufbaumasse m. und der Ausschlag x_ fUr die ungefederte Radmasse m_ werden gemessen und ausgewertet und wirken dann auf das Ventil 2 ein.

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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Schema ist zusätzlich noch eine Zwischenfederdämpfung 3 vorgesehen. In Abhängigkeit von dieser Zwischenfederdämpfung J zeigt sich am Servozylinder noch ein weiterer zu messender Ausschlag x„, der ebenfalls in die Messung und die daraus sich ergebende Beeinflussung des elektrohydraulischen Ventils 2 eingeht.

In Fig. k ist der verwendete Servozylinder in der Gestalt, wie er hier als Federbein eingesetzt ist, in allen Einzelheiten dargestellt. Innerhalb des eigentlichen Zylinders k ist ein Kolben 5 längsverschiebbar angeordnet. Der Kolben teilt das Innere des Zylinders in zwei Räume, in einen Innenraum 6, der sich oberhalb des Kolbens befindet, und in einen Innenraum 7t der sich unterhalb des Kolbens befindet. Der Mantel des Zylinders k weist einen Ringbund 8 auf, an dessen Außendurchmesser der Innendurchmesser eines Arbeitskammer zylinder gehäuses 9 angepaßt ist. Durch das Arbeitskammer Zylindergehäuse 9» das nicht nur den Ringbund 8, sondern unten auch den Zylinder 4 umgreift, wird die Arbeitskammer 11 gebildet. Die Kolbenstange 12 des Kolbens 5 durchsticht den Boden 13 des Zylinders k und ist am Boden 1U des Arbeitskammerzylindergehäuses 9 befestigt. Unterhalb des Bodens 1Ί ist eine Öse 15 vorgesehen, mit der das Federbein am Querlenker des Kraftfahrzeuge befestigt ist.

Am oberen Abschluß 16 des Zylinders k ist eine Schraube 17 angeschweißt, die ein aus Schwingmetall bestehendes Federdämpferelement 18 durchdringt und mit einer Mutter 19 an einem Teil 21 des Aufbaue des Kraftfahrzeugs angeschraubt ist

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Dia Innenräume 6 und 7 des Zylinders k sind mit Anschlußnippeln 22 und 23 versehen, die über entsprechende Hydrauliklei tunken 2k und 25 mit je einem Anschluß des als elektrohydraulieches Ventil ausgebildeten Ventils 2 verbunden sind. Auch die Arbeitskammer 11 ist mit einem Anschlußnippel Z6 versehen, von dem aus eine Druckleitung 27 zu einem hydropneumatischen Speicher 28 führt. Dieser kann von einer Pumpe 29 aufgeladen werden. Mit dem von der Pumpe 29 über das '3/3-Wegeventil 31 in den hydropneumatisehen Speicher 28 eingegebenen Druck kann auch die Höhenverstellung des Federbeins vorgenommen werden. Hierzu ist das 3/3-Vegeventil 31 mit einer willkürlich verstellbaren Handschaltung 32 versehen. Bei entsprechender Einstellung kann entweder der hydropneumatischer Speicher aufgeladen oder über das Ventil 3I auch ganz langsam in einen Vorratsbehälter 33 entladen werden.

Neben dem Hydraulikkreis für die Niveauregulierung ist an das Federbein 1 als aktive Feder mit dem Elektrohydraulikservoventil 2 ein weiterer Hydraulikkreis angeschlossen. Dieses Elektrohydraulikservoventil 2 wird über eine Pumpe Jk gespeist und hat einen Abfluß, der in einem Vorratsbehälter 35 endet.

Das Elektrohydraulikservoventil 2 wird nun von einem Regler 36 gesteuert, der über die Elektroleitungen 37 und 38 mit den Magneten 39 und Uo des elektrohydraulischen Servoventile 2 verbunden ist. An den Regler 36 ist noch ein Beobachter kl angeschlossen, der Meßinformationen über die Elektroleitung k2 aufnimmt und nach entsprechender Verarbeitung an den Regler 36 weitergibt. Dieser erhält außerdem über die

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Elektroleitung 43 direkt die noch benötigten Störinformationen mitgeteilt und ist Über die Elektroleitung 44 an den Störbeobachter 41 rückgekoppelt.

Mit einem in erfindungsgemäßer Weise ausgebildeten Schwingungsdämpfer kann der Fahrkomfort wesentlich verbessert werden, ohne gleichzeitig die Fahrsicherheit einzuschränken. Die erfindungsgemäß abgestimmten Federbeine bringen eine aktive Schwingungsdämpfung mit sich, die einen ausgewogenen Federungskomfort bei allen Gegebenheiten zur Folge hat.

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Claims (11)

1. Daimler-Benz Aktiengesellschaft

   Stuttgart-UntertUrkheim Palm 11 5o9/fr

   Ansprüche

   1, Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung an Rädern von ^" Radfahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, mit ihren (ungefederten) Radmassen, über denen unter Zwischenschaltung jeweils eines von einem Ventil betätigten Servozylinders fUr die Krafterzeugung die Aufbaumasse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Elektro-Hydraulik-Ventil (2) ist, das elektrohydraulisch angesteuert wird, wozu als Meßeignale der Relativabstand cT(t) des Aufbaus vom Rad, die ReIativgeschwindigkeit cT'(t) bei der Bewegung der beiden zueinander und der Druckunterschied ^^.p(t) im Servozylinder verwendet werden.
2. 2. Schwingungsdämpfungsverfahren an Radfahrzeugen, bei denen zwischen dem Servozylinder und dem Aufbau ein Feder-Dämpfer-Element eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet , daß auch die Relativbewegungen des Servozylinders (2) gegenüber dem Aufbau (21) und dem Rad als MeOsignal aufgenommen und verwendet werden.
3. 3· Schwingungsdämpfungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeignale in einem Störbeobachter (hl) aufbereitet und von dort einem Regler (36) zugeleitet werden, der die aufgenommenen Meßeignale in Regelsignale umsetzt, mit denen er auf das Elektro-Hydraulik-Ventil (2) einwirkt.

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4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3» mit einem innerhalb eines Zylinders längsverschieblichen Kolben und mit einer den Zylinder umschließenden Arbeitskammer für die Niveauregulierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (12) mit dem die Arbeitskammer (ii) umschließenden Arbeitskammerzylindergehäuse (9) an der Radanlenkung (15) befestigt ist und daß das Arbeitskammerzylindergehäuse (9) den stufenförmig ausgebildeten Zylinder (4/8) aufnimmt, dessen oberes Ende (16) mit dem Aufbau (21) verbunden ist.
5. 5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem oberen Abschluß (16) des Zylinders (4) und dem Aufbau (21) ein als Feder-Dämpfer-Element (18) dienendes Schwingmetall angeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Innenräume (6, 7) des Zylinders (4) oberhalb (6) und unterhalb (7) des Kolbens (5) mit Anschlußnippeln (22, 23) versehen sind, die über entsprechend· Hydraulikleitungen (24, 25) mit je einem Anschluß des Elektro-Hydraulik-Ventils (2) verbunden sind.
7. 7· Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Innere der Arbeitskammer (11) einen Anschlußnippel (26) aufweist, der mit einem Hydropneumatikspeicher (28) verbunden ist.

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8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7t dadurch gekennzeichnet , daß der Hydropneumatikspeicher (28) Über ein 3/3-Wegeventil (31) an eine Pumpe (29) angeschlossen ist, die je nach der Stellung des 3/3-Vegeventils (31) den Druck im Hydropneumatikspeicher (28) erhöht oder erniedrigt.
9. 9- Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Störbeobachter (Ή) die Meßsignale /\cf (t) , ZS. oT '(t) und^p(t) aufnimmt und an den Regler weitergibt, der das einerseits mit einer Pumpe (3*0 und andererseits mit einem Ölvorratsbehälter (35) in Verbindung stehende Elektro-Servohydraulik-Ventil (2) betätigt.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9· dadurch gekennze lehne t , daß der Regler (36) an den Störbeobachter (kl) rückgekoppelt ist und außerdem sonstige Störinformationen über die Elektroleitung (13) erhält.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das 3/3-Wegeventil (31) und damit die zugehörige Pumpe (29) willkürlich mit einer Handschaltung (32) betätigbar ist.

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