DE4313973A1

DE4313973A1 - Aktive Federung einer Masse, insbesondere Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeuges

Info

Publication number: DE4313973A1
Application number: DE19934313973
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Phys Dr Wiesmeier; Friedrich Dr Ing Uffelmann
Original assignee: Iveco Magirus AG
Current assignee: Iveco Magirus AG
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1993-04-28
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2013-04-29
Also published as: DE4313973C2

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Federung einer Masse, ins besondere Fahrerhausfederung eines Nutzfahrzeuges, zur Redu zierung von Schwingungen der gefederten Masse mit einem Aktiv federsystem in Form mindestens eines durch eine Steuer /Regeleinrichtung angesteuerten Aktivzylinders, im Fall einer Fahrerhausfederung vorzugsweise mit dazu parallelen Trag federn.

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 Aufbau eines 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 im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk male.

Vorteilhaft weitergebildet wird der Erfindungsgegenstand durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 12.

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 Zeichnungen 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, wel che 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 √-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:

δ/δc ∫V_akt·w·V_pas(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

1. Aktive Federung einer Masse, insbesondere Fahrerhausfede rung (1) eines Nutzfahrzeuges, zur Reduzierung von Schwingungen der gefederten Masse bei mit einem Aktiv federsystem in Form mindestens eines durch eine Steuer /Regeleinrichtung angesteuerten Aktivzylinders (4), gekennzeichnet durch zumindest ein elastisches Element zwischen der Aktivfede rung und der gefederten Masse und die Heranziehung der Bewegung des masseseitigen Befestigungspunktes des minde stens einen Aktivzylinders (4) als Regelgröße bzw. Ein gangsgröße für die Steuer-/Regeleinrichtung des Aktiv zylinders.

2. Aktive Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element eine mit Druck beanspruchte Schraubenfeder (7) ist (Fig. 1).

3. Aktive Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element ein Gummielement ist.

4. Aktive Federung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gummielement ein Silentgummiblock (8) mit endsei tigen Befestigungsplatten (9, 10) ist.

5. Aktive Federung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beschleunigungssensor (12) zur Ansteuerung des Aktivzylinders (4) an der der Kolbenstange (6) zugeordne ten Befestigungsplatte (10) des Silentgummiblocks (8) befestigt ist.

6. Aktive Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element eine hydropneumatische Fede rung (11) ist (Fig. 3).

7. Aktive Federung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Bewegung des masseseitigen Befestigungs punktes des Aktivzylinders (4) noch weitere Größen zur Ansteuerung des Aktivzylinders herangezogen werden.

8. Aktive Federung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungen anderer Komponenten der Schwingungsübertragungskette (Räder/Achsen, Aufbau/Rahmen (3), Fahrerhaus (2)) durch Addition von zweimal differen zierten entsprechenden Relativwegsignalen ermittelt und zur Ansteuerung des mindestens einen Aktivzylinders herangezogen werden.

9. Aktive Federung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungssignale gefiltert und unter Beschränkung des Wegsignals durch zweifache Integration in ein absolutes Wegsignal umgerechnet und entsprechend mit den Relativwegsignalen verknüpft werden.

10. Aktive Federung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschleunigungssignal des Aktivzylinders (4) mit tels eines Bandpasses auf ein Frequenzintervall beschränkt wird, welches der Steuerung des Aktivzylinders (4) zugänglich ist.

11. Aktive Federung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Relativwegs des Aktivzylinders (4) ein Weggeber in die Kolbenstange (6) des Aktivzylinders (4) integriert ist.

12. Aktive Federung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Relativwegs zu anderen passiv gefe derten Komponenten der Schwingungsübertragungskette ein Weggeber in die Kolbenstange eines Schwingungsdämpfers integriert ist.