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DE4414022C2 - Aktives Federungssystem - Google Patents

Aktives Federungssystem

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DE4414022C2
DE4414022C2 DE4414022A DE4414022A DE4414022C2 DE 4414022 C2 DE4414022 C2 DE 4414022C2 DE 4414022 A DE4414022 A DE 4414022A DE 4414022 A DE4414022 A DE 4414022A DE 4414022 C2 DE4414022 C2 DE 4414022C2
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spring
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Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Federungssystem, insbeson­ dere für Kraftfahrzeuge, bei dem zwischen gefederter und un­ gefederter Masse angeordnete Feder- bzw. Abstützaggregate je­ weils ein passives ungesteuertes Federelement sowie ein dazu in Reihe angeordnetes hydraulisches Verdrängeraggregat mit regelbarer Hubverstellung aufweisen.
Derartiges ist aus der DE-PS 11 25 290 bekannt. Die Hubver­ stellung des hydraulischen Verdrängeraggregates dient dabei dazu, die Einfederung der passiven Feder unter der Radlast auszugleichen und Einstellungen des Fahrzeugniveaus vorzuneh­ men.
Ein weiteres System der angegebenen Art ist aus der DE 29 43 486 C2 bekannt, wobei zur Steuerung mit Koordinaten z₁, z₂ und z₃ gearbeitet wird, die die Lage des radseitigen Teiles des Verdrängeraggregates, die Lage des aufbauseitigen Teiles des Verdrängeraggregates sowie die Lage des Aufbaus relativ zu einem stationären System wiedergeben. Damit wäre prinzipiell die Bestimmung des Hubes des Verdrängeraggregates (z₁-z₂) sowie der Einfederung (z₁-z₃) möglich. Jedoch bele­ gen die Ausführungen in der Beschreibung der DE 29 43 486 C2, daß z₂ und z₃ starr miteinander gekoppelt sind und eine Bewe­ gung zwischen den entsprechenden Punkten nicht gemessen und damit nicht unmittelbar berücksichtigt wird. Darüber hinaus ist der Wert von z₃ durch zweifache Integration der Signale eines Aufbaubeschleunigungssensors nur ungenau und mit zeit­ licher Nacheilung (Phase) sowie entsprechend großem Aufwand bestimmbar.
Aus der DE-OS 23 05 037 ist es bei einem System der eingangs angegebenen Art bekannt, unter Vernachlässigung der realen Niveaulage bzw. Einfederung allein die Hubstellung des Ver­ drängeraggregates zu bestimmen und zu berücksichtigen.
Bei einem aus der DE 40 26 790 C1 bekannten weiteren System mit äquivalenter Struktur wird nur die Einfederung insgesamt herangezogen.
Damit sind die beiden zuletzt genannten Systeme für eine die dynamischen Zustände ständig berücksichtigende und ausglei­ chende aktive Fahrzeugfederung ungeeignet und nur für quasi statische Niveauregelungen im Falle der DE-OS 23 05 037 bzw. für einen vordefinierten Resonanzfall im Falle der DE 40 26 790 C1 einsetzbar.
Aus der DE 37 37 760 A1 ist es für sich bekannt, zur aktiven Lagebeeinflussung die Radaufstandskraft selbst fortlaufend zu bestimmen. Die Gestaltung entsprechender Sensoren und insbesondere ihre An­ ordnung an und die Einbeziehung in Elemente des Lastpfades ist aufwendig, wie dort erkennbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein aktives Federungssystem mit einfach ausführbarer, zuverlässiger Regelung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eingangs angegebenen Merkmale mit folgenden Merkmalen kombi­ niert sind:
  • - Den Feder- bzw. Abstützaggregaten sind jeweils Weggeber zugeordnet, welche sowohl die jeweilige Hubstellung der ungefederten Masse relativ zur gefederten Masse als auch den Hub des jeweiligen Verdrängeraggregates direkt er­ fassen, und
  • - Istwerte der jeweils zwischen gefederter Masse und unge­ federter Masse wirksamen Abstützkräfte werden aus dem mittels der Weggebersignale er faßbaren Federzustand des passiven ungesteuerten Federelementes ermittelt,
  • - wobei die Regelung der Verstellung des Verdrängeraggre­ gates in Abhängigkeit von vorzugebenden Sollwerten der Abstützkräfte sowie mindestens einer für den Bewegungszu­ stand der gefederten Masse charakteristischen Größe erfolgt.
Die Erfindung bietet eine aktiv lagegeregelte Fahrzeugfede­ rung, die durch die in Serie zu dem Verdrängeraggregat ange­ ordnete passive Feder sichere Notlaufeigenschaften hat und zur Bestimmung der Federkraft und des Einflusses der Federung auf die Fahrzeuglage in ihrer zeitlichen Änderung mit Si­ gnalen von Höhensensoren nur gleichartige und gleichphasige Signale verarbeitet.
Zur Unterscheidung, ob ein Betriebszustand der Federung auf eine momentan wirkende Fahrbahnunebenheit oder auf einer Schwingungsbewegung als Folge einer vorangehenden Anregung zurückzuführen ist, wird dann noch zumindest ein für den Be­ wegungszustand des Fahrzeugaufbaus als gefederte Masse cha­ rakteristischer Parameter herangezogen, z. B. die vertikale Aufbaubeschleunigung. Da dieses Signal vergleichsweise niederfre­ quent ist, sind Phasenprobleme ausgeschlossen.
Die Erfindung bietet den Vorzug einer besonders einfachen Regelungstechnik, da Wegmessungen bzw. die Messungen von Größen, die zum Weg analog sind, besonders einfach durch­ führbar sind. Auch der übrige konstruktive Aufwand ist relativ gering. Im wesentlichen werden lediglich eine hinreichend leistungsfähige Druckquelle sowie Steuerventile für den Zu- bzw. Abfluß von Hydraulikmedium zum bzw. vom Verdrängeraggregat benötigt. Hierbei ist vorteilhaft, daß relativ wenig Leistung benötigt wird, um das Verdrängeraggre­ gat in einer gewünschten Stellung zu halten; hierzu genügt im wesentlichen die Sperrung von Ventilen.
Des weiteren ist vorteilhaft, daß Reibung in den Verdränger­ aggregaten keine Einbußen hinsichtlich des Abrollkomforts bewirkt, weil das passive ungesteuerte Federelement ständig wirksam bleibt. Im übrigen kann die Reibung bei der Lage­ regelung der Verdrängeraggregate kompensiert werden.
Falls im Rechner des Federungssystems Fehler auftreten sollten, kann ohne weiteres ein Notbetrieb durchgeführt werden, indem die Verdrängeraggregate automatisch oder durch manuelle Steuerung in eine vorgegebene Lage gebracht und in dieser Lage stillgesetzt bzw. durch Sperrung der Ventile hydraulisch blockiert werden. Damit arbeitet das Federsystem wie ein herkömmliches rein passives System.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung einer in der Zeichnung dargestellten vorteil­ haften Ausführungsform verwiesen.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematisierte schalt­ planartige Darstellung eines zwischen einem Rad und einem Fahrzeugaufbau angeordneten Feder- und Abstützaggregates gemäß der Erfindung.
Zwischen einem Aufbau 1 eines Kraftfahrzeuges, welcher die gefederte Masse bildet, und einem Rad 2, welches eine ungefederte Masse bildet, ist in grundsätzlich bekannter Weise ein passives ungesteuertes Federelement 3, beispiels­ weise in Form einer Stahl-Schraubendruckfeder angeordnet. Das aufbauseitige Widerlager des Federelementes 3 ist als Plunger 4 eines am Aufbau 1 angeordneten hydraulischen Verdrängeraggregates 5 ausgebildet, welches über ein Regel­ ventil 6 mit einer hydraulischen Druckquelle 7 bzw. mit einem im wesentlichen drucklosen Reservoir 8 stufenlos verbindbar bzw. gegenüber Druckquelle 7 und Reservoir 8 abschließbar ist.
Zur Steuerung des Regelventiles 6 dient eine Steuer- bzw. Regelelektronik 9, welche eingangsseitig mit Sensoren 10 und 11 für die Hubstellung x des Rades 2 relativ zum Auf­ bau 1 sowie den Hub y des Plungers 4 relativ zum Aufbau 1 verbunden ist.
Im übrigen kann die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 eingangs­ seitig mit weiteren Sensoren 12 verbunden sein, die zur Überwachung weiterer Parameter dienen - beispielsweise der Aufbaubeschleunigung, der Radbeschleunigung, des Lenkrad­ winkels, der Giergeschwindigkeit, der Fahrgeschwindigkeit usw. des Fahrzeuges - und eine Beeinflussung der Feder- und Dämpferrate des Aufbaus, des Eigenlenkverhaltens des Fahrzeuges und/oder eine Einstellung der Aufbaulage (Aufbauhorizontierung) ermöglichen.
Darüber hinaus können eingangsseitig der Steuer- bzw. Regelelektronik 9 willkürlich betätigbare Schalter 13 ange­ ordnet sein, mit denen sich verschiedene Steuer- bzw. Regel­ abstimmungen einschalten lassen.
Parallel zum Federelement 3 ist ein konventioneller oder - zweckmäßigerweise - schaltbarer Stoßdämpfer 14 ange­ ordnet, wobei der Stoßdämpfer 14 zwischen dem Aufbau 1 und dem Rad 2 bzw. dem radseitigen Widerlager des Feder­ elementes 3 arbeitet.
Der Stoßdämpfer 14 ist zweckmäßigerweise so abgestimmt, daß er bei der sogenannten Radresonanz besonders dämpfungs­ wirksam ist, d. h. wenn die Räder 2 zu "trampeln" suchen.
Die dargestellte Anordnung arbeitet im wesentlichen wie folgt:
Aus den die Hubstellungen x der Räder 2 relativ zum Aufbau 1 wiedergebenden Signalen der Sensoren 10 ermittelt die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 - gegebenenfalls unter Berück­ sichtigung der Signale der weiteren Sensoren 12 - einen Sollwert der Abstützkraft, welche zwischen dem Aufbau 1 und dem jeweiligen Rad 2 wirksam sein soll. Statt dessen kann auch eine zur Abstützkraft analoge Größe vorgegeben werden. Für den Sollwert Asoll der Abstützkraft gilt:
Asoll = k (x-y)soll,
wobei k der Elastizitätskoeffient des Federelementes 3 ist. Die einfache Möglichkeit der Berechnung von Asoll beruht darauf, daß der Wert der Abstützkraft im wesentlichen durch die Federspannung des Federelementes 3 bestimmt wird; diese Federspannung ändert sich analog zur Differenz x-y.
In entsprechender Weise kann der Istwert Aist der jeweils zwischen Aufbau 1 und Rad 2 wirksamen Abstützkraft aus den Signalen der Sensoren 10 und 11 ermittelt werden:
Aist = k (x-y)ist.
Die bei der Erfindung mögliche Regelung der Abstützkräfte durch Soll-Istwert-Vergleich kann also durch Soll-Istwert- Vergleich der Wegstrecken (x-y)soll und (x-y)ist erfolgen.
Um die gewünschte Regelung ausführen zu können, muß lediglich gewährleistet sein, daß sich der Plunger 4 des Verdrängeraggregates 5 im Vergleich zu den möglichen Relativgeschwindigkeiten zwischen Aufbau 1 und Rädern 2 vergleichsweise schnell verstellen läßt. Dazu muß die Druckquelle 7 eine entsprechende Leistung haben, außerdem muß das Regelventil 6 entsprechend große Querschnitte steuern können.
Sollte die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 ausfallen oder fehlerhaft arbeiten, ist ohne weiteres ein Notbetrieb möglich, bei dem der Plunger 4 hydraulisch in einer vorzugebenden Lage im Verdrängeraggregat 5 blockiert und der Stoßdämpfer 14, soweit er schaltbar ist, auf harte Dämpfung geschaltet wird.
Die Einschaltung des Notbetriebes kann automatisch beim Auftreten eines Fehlers in der Steuer- bzw. Regelelektronik erfolgen. Statt dessen ist es auch möglich, daß der Fahrer zur Einschaltung des Notbetriebes entsprechende Steuer­ organe betätigt.
Die die Hubstellungen x der Räder 2 wiedergebenden Signale der Sensoren 10 werden vorzugsweise für die Berechnung des Ist-Wertes der Abstützkraft des Federelementes 3 gefiltert, um in diesem Zusammenhang schnelle Radbewegungen unberück­ sichtigt zu lassen. Denn in erster Linie sollen durch Ver­ stellung des Plungers 4 Bewegungen des Aufbaus 1 beeinflußt werden, welche vergleichsweise langsam sind.
Gleichwohl sollen die Signale der Sensoren 10 auch schnelle Radbewegungen wiedergeben können, damit die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 bei Radbewegungen in der Nähe der Rad­ resonanzfrequenz die Möglichkeit besitzt, den Stoßdämpfer 14 zur Dämpfung dieser Radresonanz einzuschalten.
Durch die Regelung der Abstützkräfte werden bei der Erfindung im wesentlichen nur die relativ langsamen Bewegungen des Fahrzeugaufbaus beeinflußt. Die vergleichsweise schnellen Radbewegungen, insbesondere im Bereich der Radresonanz, werden praktisch allein durch den Dämpfer 14 (dämpfend) beeinflußt. Da die Aufbaubewegungen typischerweise eine Frequenz von 1 bis 2 Hz haben, während die Frequenz der Radresonanz etwa bei 15 bis 20 Hz liegt, kann also die zur Beeinflussung der Aufbaubewegungen dienende Regelung der Abstützkräfte relativ langsam arbeiten.
Zwischen der Pumpe 7 und dem Regelventil 6 ist zweckmäßiger­ weise noch ein nicht dargestellter Druckspeicher angeordnet.

Claims (5)

1. Aktives Federungssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem
  • - zwischen gefederter und ungefederter Masse (1; 2) angeord­ nete Feder- bzw. Abstützaggregate (3; 5) jeweils ein passi­ ves ungesteuertes Federelement (3) sowie ein dazu in Reihe angeordnetes hydraulisches Verdrängeraggregat (5) mit regelbarer Verstellung des Hubes (y) aufweisen,
  • - den Feder- bzw. Abstützaggregaten (3; 5) jeweils Weggeber (10, 11) zugeordnet sind, welche sowohl die Hub­ stellung (x) der ungefederten Masse (2) relativ zur ge­ federten Masse (1) als auch den Hub (y) des Verdrängeraggregates (5) direkt erfassen und
  • - Istwerte (Aist) der jeweils zwischen gefederter Masse (1) und ungefederter Masse (2) wirksamen Abstützkräfte aus dem mittels der Weggebersignale erfaßbaren Bewegungs- bzw. Einfederungszustand des passiven ungesteuerten Federelementes (3) ermittelt werden,
  • - wobei die Regelung der Verstellung des Verdrängeraggre­ gates (5) in Abhängigkeit von vorzugebenden Sollwerten (Asoll) der Abstützkräfte sowie mindestens einer für den Bewegungszustand der gefederten Masse (1) charakteristi­ schen Größe erfolgt.
2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgeschwindigkeit des Verdrängeraggregates (5) größer als die möglichen Geschwindigkeiten der gefederten Masse (1) relativ zu einem stationären System ist.
3. Federungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Federelement (3) mindestens ein schaltbarer Stoßdämpfer (14) angeordnet ist, welcher zur Dämpfung von Resonanzerscheinungen - insbesondere Radresonanz - abge­ stimmt ist.
4. Federungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßdämpfer (14) zwischen gefederter Masse (1) bzw. Fahrzeugaufbau und ungefederter Masse (2) bzw. Rad oder radseitigem Widerlager des Federelementes (3) an­ geordnet ist.
5. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugebenden Sollwerte (Asoll) durch Sensoren (12, 13), die vorgebbare Parameter überwachen, veränderbar sind.
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