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Dokumentenidentifikation DE60118149T2 19.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001247665
Titel Auf der Sky-Hook-Theorie basierendes Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Fahrzeugaufhängung
Anmelder STMicroelectronics S.r.l., Agrate Brianza, Mailand/Milano, IT
Erfinder Caponetto, Riccardo, 95100 Catania, IT;
Diamante, Olga, 96100 Siracusa, IT;
Risitano, Antonio, 95100 Acicatena (CT), IT;
Fargione, Giovanna, 95100 Catania, IT;
Tringali, Domenico, 96100 Augusta (SR), IT
Vertreter Dendorfer & Herrmann Patentanwälte Partnerschaft, 80335 München
DE-Aktenzeichen 60118149
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.04.2001
EP-Aktenzeichen 018302331
EP-Offenlegungsdatum 09.10.2002
EP date of grant 22.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse B60G 23/00(2006.01)A, F, I, 20070115, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugaufhängungssystems und eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zum Steuern der Dämpfungskraftkennlinie von Stoßdämpfern eines halbaktiven Fahrzeugaufhängungssystems, basierend auf der Sky-Hook-Steuerungstheorie.

Das Aufhängungssystem eines Fahrzeugs soll mehrere Funktionen durchführen, wie beispielsweise das Fahrzeug über der Straße, oder allgemeiner dem Boden zu halten, die Schwingungen, die auf den Fahrzeugkörper (beispielsweise im Fall eines Autos, die Fahrgastzelle oder die Autokarosserie) übertragen werden, so gering wie möglich zu halten, und die von Beschleunigungsvorgängen herrührenden Kräfte zu verteilen, die beispielsweise durch eine Erhöhung oder Verminderung der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Änderungen der Fahrzeugfahrtrichtung bedingt sind.

Mehrere Typen von Aufhängungssystemen wurden vorgeschlagen, die in drei Hauptkategorien unterteilt werden können: passive Aufhängungssysteme, aktive Aufhängungssysteme und halbaktive Aufhängungssysteme.

Bei passiven Aufhängungssystemen haben die Stoßdämpfer eine feste Dämpfungskennlinie. Bei aktiven Aufhängungssystemen haben die Stoßdämpfer eine veränderliche Dämpfungskennlinie, die fortlaufend gesteuert durch ein Steuerungssystem verändert werden kann, beispielsweise mittels geeignet gesteuerter Hydraulikpumpen. Aktive Aufhängungssysteme können somit die zuvor erwähnten Funktionen unter Anpassung an die speziellen Fahrtbedingungen durchführen.

Bei halbaktiven Aufhängungssystemen kann, ähnlich wie bei aktiven Aufhängungssystemen, die Dämpfungskennlinie der Stoßdämpfer gesteuert durch ein Steuerungssystem fortlaufend verändert werden, um eine Anpassung an die speziellen Fahrtbedingungen vorzunehmen. Jedoch ist, während es bei aktiven Aufhängungssystemen erforderlich sein kann, den Stoßdämpfern externe Energie zuzuführen, um deren Dämpfungskraftkennlinie zu steuern, dies bei halbaktiven Aufhängungssystemen, bei denen die Steuerung lediglich auf eine geeignete Abführung der Energie der Stoßdämpfer gerichtet ist, nicht der Fall.

Halbaktive Aufhängungssysteme stellen eine Zwischenlösung zwischen passiven und aktiven Aufhängungssystemen dar, wobei sie eine bessere Leistungsfähigkeit als erstere bieten, ohne dass sie so teuer wie letztere sind.

Das Verhalten eines eine einzige Aufhängung enthaltenden passiven Aufhängungssystems kann unter Verwendung des Beispiels des De-Carbon-Modells bestimmt werden. Ein derartiges Modell, wie dargestellt in 1, ist ein System mit zwei Freiheitsgraden, das beispielsweise geeignet ist, ein Viertel (d. h. ein einziges Rad) eines vierrädrigen Fahrzeugs wie beispielsweise eines Autos zu repräsentieren. Das Modellsystem beinhaltet eine aufgehängte Masse 1 der Masse M, die die Masse des Fahrzeugkörpers darstellt, und eine nicht-aufgehängte Masse 2 der Masse m, welche die Masse des Rades repräsentiert. Bei Vernachlässigung des pneumatischen Dämpfungseffekts ist die nicht-aufgehängte Masse m mit dem Erdboden (der Straßenoberfläche r) durch eine Feder 3 der Steifigkeit kp, die der pneumatischen Steifigkeit entspricht, verbunden. Die aufgehängte Masse 1 ist mit der nicht-aufgehängten Masse 2 durch die Aufhängung verbunden, die eine Feder 4 der Steifigkeit k und einen Stoßdämpfer 5 von konstanter Dämpfungskennlinie Crel enthält.

Unter Anwendung des Prinzips von D'Alembert auf das Modellsystem von 1 kann das folgende mathematische Modell hergeleitet werden: wobei zb die Vertikalkoordinate der aufgehängten Masse 1 (des Fahrzeugkörpers) bezogen auf ein willkürliches Bezugsniveau ist, zw die Vertikalkoordinate der nicht-aufgehängten Masse 1 (des Rades) ist und h die Höhe der Straßenoberfläche r bezogen auf dieses Bezugsniveau ist. Die zweite Ableitung von zb, d. h. die Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers, ist eine Kenngröße des Komforts, für den durch die Aufhängung gesorgt wird: je geringer die Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers, desto größer der Fahrkomfort. Die durch die nicht-aufgehängte Masse 2 (das Rad) auf die Straßenoberfläche r ausgeübte Kraft ist eine Kenngröße der Bodenhaftung: je höher die durch das Rad auf die Straßenoberfläche ausgeübte Kraft, desto größer die Straßenhaftung. Alternativ kann als Straßenhaftungs-Kenngröße auch die Schwankung der während der Fahrzeugfahrt auf die Straße ausgeübten Kraft verwendet werden.

Die Einschränkungen passiver Aufhängungssysteme beruhen auf der Tatsache, dass lediglich ein einziger Parameter, die Dämpfungskennlinie Crel des Stoßdämpfers, zur Anpassung der zwei Kenngrößen Komfort und Straßenhaftung zur Verfügung steht. Da die zwei Anforderungen unabhängig voneinander sind, und die Minima der zwei Kenngrößen für unterschiedliche Werte des Stoßdämpfer-Dämpfungskoeffizienten Crel erzielt werden, hat das System keine optimierte Lösung, und es kann lediglich eine Kompromisslösung gefunden werden.

Im Prinzip kann dieses Problem dadurch gelöst werden, dass die Anzahl der Systemparameter vergrößert wird, d. h. dass dafür gesorgt wird, dass die Dämpfungskraft der Stoßdämpfer von mehr als einem einzigen Parameter abhängt. Eine Weise, dies zu bewerkstelligen, ist durch den Sky-Hook-Lösungsansatz repräsentiert.

Bei einem Aufhängungssystem, das auf dem Sky-Hook-Lösungsansatz basiert, ist die Kraft, die durch den Stoßdämpfer auf den Fahrzeugkörper ausgeübt wird, proportional zur Absolutgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers bezüglich eines Inertialbezugssystems und zur Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeugkörper und dem Rad.

Weiter kann im Prinzip das Inertialbezugssystem sowohl die Erde als auch der Himmel (Sky) sein. Da jedoch die aufgehängte Masse nicht mit der Erde verbunden sein kann, wird der Himmel als Inertialbezugssystem gewählt, und es wird die idealisierte Annahme getroffen, dass die aufgehängte Masse am Himmel 'festgehakt' ist (Sky-Hook). Das entsprechende Systemmodell ist in 2 dargestellt, wobei s den Himmel und 6 einen Stoßdämpfer des Dämpfungskoeffizienten Csky bezeichnet, der die aufgehängte Masse 1 mit dem Himmel s verbindet.

Ein Sky-Hook-Dämpfer ist lediglich eine idealisierte Vorrichtung, da es offensichtlich nicht möglich ist, die aufgehängte Masse 1 mit dem Himmel zu verbinden. In der Praxis kann eine Sky-Hook-Aufhängung dadurch implementiert werden, dass der Stoßdämpfer 5 mit dem festen Dämpfungskoeffizienten Crel durch einen Stoßdämpfer 50 mit einem variablem Dämpfungskoeffizienten ersetzt wird, und eine Rückführungssteuerung (= Regelung) vom Fahrzeugkörper 1 zum Stoßdämpfer 50 vorgesehen wird, wodurch das in 3 dargestellte Modell erzielt wird.

Durch Anwenden des D'Alembert-Prinzips ist das sich ergebende mathematische Modell des in 3 dargestellten System folgendes: wobei Fam die Kraft ist, die durch den Stoßdämpfer 50 auf den Fahrzeugkörper 1 ausgeübt wird. Die Kraft Fam, die, wie zuvor erwähnt, proportional zur Absolutgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers 1 bezüglich eines Inertialbezugssystems und zur Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeugkörper 1 und dem Rad 2 sein muss, ist gegeben durch: Fam(t) = Crel(t)·Vrel(t) + Csky(t)·Vabs(t) = Crel·(żb – żw) + Csky·żb wobei mit Vrel die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Fahrzeugkörper 1 und dem Rad 2, und mit Vabs die Absolutgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers 1 bezeichnet ist. Die Zeitabhängigkeit der Dämpfungskoeffizienten Crel und Csky wurde auch explizit dargestellt.

Daraus folgt, dass zwei Parameter nun zur Steuerung der Aufhängung zur Verfügung stehen, und zwar Crel und Csky.

Das Sky-Hook-Steuerverfahren kann sowohl in aktiven als auch in halbaktiven Aufhängungssystemen implementiert sein. Da, wie zuvor erwähnt, in einem halbaktiven Aufhängungssystem, im Unterschied zu aktiven Aufhängungssystemen, dem Aufhängungssystem keine externe Energie zugeführt wird, sondern vielmehr die Energie des Aufhängungssystems selbst in gesteuerter Weise abgeführt wird, bringt bei einem halbaktiven Aufhängungssystem der Stoßdämpfer 50 keine Kraft auf den Fahrzeugkörper 1 auf, wenn eine derartige Kraft entgegengesetzt zur Relativgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers 1 bezüglich des Rades 2 sein sollte.

Demzufolge gilt zwar sowohl im aktiven als auch im halbaktiven Aufhängungssystem: Fam = Crel·(żb – żw) + Csky·żb für Fam·(żb – żw) > 0 jedoch besteht beim halbaktiven Aufhängungssystem die folgende zusätzliche Einschränkung: Fam = 0 für Fam·(żb – żw) < 0 Herkömmliche Sky-Hook-Aufhängungssteuerungsverfahren sorgen für eine solche Wahl des Parameterpaares Crel und Csky, dass ein Kompromiss zwischen den gegensätzlichen Anforderungen einer Minimierung der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers, um die Komfortkennzahl zu maximieren, und einer Minimierung der Schwankung der Kraft Fgnd gefunden wird, die durch das Rad auf die Straßenoberfläche ausgeübt wird, so dass die Straßenhaftungs-Kennzahl maximiert wird.

Somit wird ein Gewichtungsfaktor p bestimmt, der verwendet wird, um die zwei Beiträge zu gewichten:

Sobald der Gewichtungsfaktor p gewählt wurde, können die Werte für die Dämpfungskoeffizienten Crel und Csky eindeutig bestimmt werden.

Bisher wurde bei der Implementierung des Sky-Hook-Steuerungsansatzes bei halbaktiven Aufhängungssystemen der Gewichtungsfaktor p vorab festgelegt, und die Werte für die Dämpfungskoeffizienten Crel und Csky auf Basis des Wertes des Gewichtungsfaktors p eindeutig bestimmt, und zwar unter Verwendung herkömmlicher Steuerungssysteme, wie beispielsweise P-I-D-(Proportional-Integral-Differential)-Steuereinrichtungen.

US 5,383,124 offenbart ein Verfahren für die Fahrgestellregelung beispielsweise von Personenkraftwagen, bei dem die Fahrgestelleigenschaften in Abhängigkeit vom speziellen sensorbestimmten Fahrzustand durch das Regelsystem verändert werden. Die Regelparameter des Sky-Hook-Regelkreises werden in Abhängigkeit von der Dynamik des Fahrtprozesses verändert.

US 5,931,879 offenbart eine Vorrichtung zum Dämpfen der Bewegungssequenzen von zwei Massen, wobei die Vorrichtung Sensoren zum Messen der Relativbewegung zwischen den zwei Massen und der Absolutbewegung einer der beiden Massen beinhaltet.

EP 1 063 108 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern von halbaktiven Aufhängungen von Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung beinhaltet eine Fuzzy-Steuereinheit.

US 5,928,297 offenbart eine Aufhängungssteuervorrichtung eines Fahrzeuges gemäß einem genetischen Algorithmus.

In Anbetracht des beschriebenen Standes der Technik besteht ein Ziel der Erfindung darin, ein neuartiges Verfahren und eine dazugehörige neuartige Vorrichtung zum Steuern eines Fahrzeugaufhängungssystems bereitzustellen, die in der Lage sind, im Vergleich zu dem herkömmlichen Steuerungsverfahren und der herkömmlichen Steuerungsvorrichtung bessere Ergebnisse zu liefern.

Gemäß der Erfindung wurde ein derartiges Ziel mittels eines Steuerverfahrens wie dargelegt in Anspruch 1 erzielt.

Ebenfalls wird gemäß der Erfindung eine Steuervorrichtung wie dargelegt in Anspruch 7 bereitgestellt.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform von dieser klar hervor, die lediglich anhand eines nicht-einschränkenden Beispiels in den anliegenden Zeichnungen illustriert ist; in diesen stellen dar:

1 ein Modell eines passiven Aufhängungssystems;

2 ein idealisiertes Modell eines Aufhängungssystems, das auf dem Sky-Hook-Lösungsansatz basiert;

3 ein praktisches Modell des Sky-Hook-Aufhängungssystems von 2;

4 eine schematische Ansicht einer Aufhängungssteuerungsvorrichtung gemäß der Erfindung;

5 mögliche Zugehörigkeitsfunktionen für die Eingangs- und Ausgangsvariablen eines Fuzzy-Steuerungsuntersystems in einem Beispiel eines Einzelaufhängungssystems.

Bezug nehmend auf 4 wird Bezugszeichen 31 verwendet, um ein Fahrzeug zu bezeichnen, beispielsweise ein Auto, das einen Fahrzeugkörper 32 und ein Aufhängungssystem 33 aufweist, das beispielsweise vier Räder mit jeweiligen (nicht im Detail dargestellten) Aufhängungen darstellt.

Das Fahrzeug 31 ist mit (nicht dargestellten) Sensoren ausgerüstet, die in der Lage sind, dynamische Größen zu erfassen, wie beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Lenkwinkel, das Rollen des Fahrzeuges, das Nicken des Fahrzeuges, die vertikale Verschiebung und die Stoßdämpferauslenkungen. Von derartigen Sensoren erzeugte Sensorsignale S1, S2, ..., Sn werden einem Aufhängungssteuerungssystem zugeführt, das eine Fuzzy-Steuereinrichtung 34, einen Berechnungsblock 35 und eine Nachschlagetabelle 36 enthält.

Die Fuzzy-Steuereinrichtung 34 empfängt die Sensorsignale S1, S2, ..., Sn und bestimmt auf Basis der erfassten Größen mittels einer Fuzzy-Berechnung vier Werte p[1] ... p[4] für den Gewichtungsfaktor für jede der Fahrzeugaufhängungen. Diese Werte werden dem Arithmetik-Berechnungsblock 35 zugeführt. Dem Arithmetik-Berechnungsblock 35 werden auch die Sensorsignale S1 und S2 zugeführt, die Informationen bezüglich der absoluten Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers bezüglich der Straße und der relativen Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers bezüglich der Räder enthalten. Auf Basis der Gewichtungsfaktoren p[1] ... p[4], der absoluten Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers bezüglich der Erde und der relativen Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers bezüglich der Räder berechnet der Arithmetik-Berechnungsblock 35 den Wert der Kraft Fam[1:4] für jede der Aufhängungen unter Verwendung der zuvor angegebenen Formeln: Fam[1:4] = Crel·(żb – żw[1:4]) + Csky·żb

Die Werte Fam[1:4] und die relative Vertikalgeschwindigkeit des Fahrzeugkörpers bezüglich des Rades werden der Nachschlagetabelle 36 zugeführt, die auf Basis dieser Werte die elektrischen Steuergrößen bestimmt, die zum Ansteuern der elektrisch gesteuerten Aufhängungen geeignet sind, bei denen es sich z. B. um fluiddynamische Aufhängungen oder magnetorheologische Aufhängungen handeln können.

Nimmt man beispielsweise, der Einfachheit halber, Bezug auf das Einzelaufhängungssystem von 3, können die Eingangsvariablen des Fuzzy-Steuerungsuntersystems 34, 35 die folgenden sein:

in1:
Vertikalbeschleunigung der aufgehängten Masse 1 (in m/s);
in2:
relative Vertikalgeschwindigkeit der aufgehängten Masse 1 bezüglich der nicht-aufgehängten Masse 2 (in m/s2).

Die Ausgangsvariable des Fuzzy-Steuerungsuntersystems 34, 35 ist die Kraft Fam, die vom Stoßdämpfer 50 auf die aufgehängte Masse 1, d. h. den Fahrzeugkörper, ausgeübt wird.

Ein geeigneter Satz von Zugehörigkeitsfunktionen, die vom Fuzzy-Steuerungsuntersystem 34, 35 für die Fuzzifizierung der zwei Eingangsvariablen in1, in2 implementiert sind, ist in 5 dargestellt. Zugehörigkeitsfunktionen mf1, mf2 und mf3 bestimmen die Fuzzy-Werte der Eingangsvariablen in1, für die ein Wertebereich zwischen 0 und 3 m/s2 angenommen wird; Zugehörigkeitsfunktionen mf4, mf5 und mf6 bestimmen die Fuzzy-Werte der Eingangsvariablen in2, für die ein Wertebereich zwischen 0 und 1 m/s angenommen wird. Beispielsweise sind alle Fuzzy-Funktionen Gaußglocken.

Das Fuzzy-Steuerungsuntersystem 34, 35 kann beispielsweise den folgenden Regelsatz verwenden:

R1: WENN (in1 IST mf1) UND (in2 IST mf4) DANN (out IST C1)

R2: WENN (in1 IST mf1) UND (in2 IST mf5) DANN (out IST C2)

R3: WENN (in1 IST mf1) UND (in2 IST mf3) DANN (out IST C3)

R4: WENN (in1 IST mf2) UND (in2 IST mf4) DANN (out IST C4)

R5: WENN (in1 IST mf2) UND (in2 IST mf5) DANN (out IST C5)

R6: WENN (in1 IST mf2) UND (in2 IST mf6) DANN (out IST C6)

R7: WENN (in1 IST mf3) UND (in2 IST mf4) DANN (out IST C7)

R8: WENN (in1 IST mf3) UND (in2 IST mf5) DANN (out IST C8)

R9: WENN (in1 IST mf3) UND (in2 IST mf6) DANN (out IST C9)

wobei C1 bis C9 Zugehörigkeitsfunktionen für die Ausgangsvariable out der Fuzzy-Steuereinrichtung 34 sind. Wie in 4 dargestellt, ist die Ausgangsvariable der Fuzzy-Steuereinrichtung 34 der Gewichtungsfaktor p, d. h. das Verhältnis zwischen den Dämpfungskoeffizienten Crel und Csky. Nimmt man beispielsweise an, dass der Dämpfungskoeffizient Csky auf einem vorgeschriebenen Wert konstant gehalten wird, ist die Kraft Fam gegeben durch: Fam(t) = Crel(t)·Vrel(t) + Csky·Vabs(t) und die Ausgangsvariable out ist der Dämpfungskoeffizient Crel (in Ns/m).

Die Anmelderin hat beobachtet, dass dadurch, das der Dämpfungskoeffizient Csky auf einem vorgeschriebenen Wert konstant gehalten wird, die Steuerungslogik vereinfacht werden kann. Bei der Wahl des Wertes für Csky hat die Anmelderin beobachtet, dass es besser ist, einen ziemlich hohen Wert zu wählen: Die Anmelderin hat tatsächlich beobachtet, dass der Beitrag des Dämpfungskoeffizienten Csky zur Gesamtdämpfungskraft von der absoluten Vertikalgeschwindigkeit der aufgehängten Masse abhängt, die nur bei den Resonanzfrequenzen hoch wird, und bei derartigen Frequenzen muss der Stoßdämpfer eine größere Dämpfungskraft entwickeln. Geeignete Werte für den Dämpfungskoeffizienten Csky, welche die Anmelderin experimentell im Fall eines vierrädrigen Fahrzeugs wie beispielsweise eines Automobils erhalten hat, betragen ca. 5.800 bis 5.900 Ns/m für die Vorderräder und 4.450 bis 4.650 Ns/m für die Hinterräder.

Ein möglicher Satz von Zugehörigkeitsfunktionen C1 bis C9 für die Ausgangsvariable out ist im ganz rechten Diagramm von 5 dargestellt. Im dargestellten Beispiel sind die Zugehörigkeitsfunktionen C1 bis C9 "scharfe" Werte.

Um den "scharfen" Wert für die Ausgangsvariable out zu bestimmen, führt das Fuzzy-Steuerungsuntersystem 34, 35 einen Defuzzifizierungsprozess durch, beispielsweise unter Verwendung des Schwerpunkt- oder des Massenmittelpunktverfahrens.

Es sei angemerkt, dass die Gaußglocken-Form der Zugehörigkeitsfunktionen mf1 bis mf6 keine Einschränkung ist, und andere Formen verwendet werden können, beispielsweise ein Trapezoid.

Auch kann die Ausgangsvariable out, anstelle "scharfer" Werte, durch Zugehörigkeitsfunktionen unterschiedlicher Formen, beispielsweise eine Gaußglocke oder ein Trapezoid definiert sein.

Basierend auf dem Wert der Variable out, die durch das Fuzzy-Steuerungsuntersystem berechnet wird, erzeugt die Nachschlagetabelle 36 die elektrischen Steuersignale, die zum Ansteuern der Aufhängung geeignet sind. Wie bereits erwähnt, können unterschiedliche Typen von Aufhängungen verwendet werden, beispielsweise magnetorheologische oder fluiddynamische Aufhängungen, falls erforderlich unter Änderung von deren Ansteuereinrichtungen, die gesteuert durch die Nachschlagetabelle 36 arbeiten.

Vorteilhaft kann die Fuzzy-Steuereinrichtung 34 unter Verwendung genetischer Algorithmen optimiert werden, die, wie bekannt ist, ein Optimierungsverfahren repräsentieren, das auf dem Darwin'schen Prinzip der natürlichen Evolution basiert. Gemäß diesem Verfahren entspricht, in einer in fortlaufender Evolution befindlichen Population, das Individuum, das sich am besten an die Umweltzwänge anpasst, der optimalen Lösung des zu lösenden Problems.

Bei der Implementierung des Verfahrens des genetischen Algorithmus zum Optimieren einer Fuzzy-Steuereinrichtung für ein Fahrzeugaufhängungssystem wurde die Gesamtbeschleunigung des Fahrzeugkörpers als Leistungskennzahl (zu optimierende Zielfunktion) verwendet. Um den RMS-Wert (RMS = Root Mean Square = quadratischer Mittelwert) der Beschleunigung des Fahrzeugkörpers mit dem RMS-Wert der Schwankung der auf die Straßenoberfläche aufgebrachten Kraft zu vergleichen, wurden für jedes der vier Räder (die sogenannten Ecken) die Kraftschwankungen durch die auf die Ecke bezogene aufgehängte Masse, beispielsweise 300 kg, geteilt.

Die zu optimierende Zielfunktion ist folgende: Ob = a·N(acc) + b·N(rdh) wobei a und b zwei konstante Parameter sind. Beispielsweise können, nimmt man an, dass ein etwas sportliches Verhalten für ein Fahrzeug angestrebt wird, die Parameter a und b den Wert 0,3 bzw. 0,7 haben.

N(acc) ist eine dimensionslose Größe, die die normierte Beschleunigung des Fahrzeugkörpers repräsentiert: N(acc) = n1·N(vert) + n2·N(pitch) + n3·N(roll) wobei N(vert) die normierte Vertikalbeschleunigung, N(pitch) die normierte Nickbeschleunigung und N(roll) die normierte Rollbeschleunigung ist. n1, n2 und n3 sind drei Koeffizienten, deren Wahl von Überlegungen im Hinblick auf den höheren oder niedrigeren Effekt einer der drei Beschleunigungen auf den Komfort abhängt. Geeignete Werte sind beispielsweise n1 = 0,4; n2 = 0,5 und n3 = 0,1.

N(rdh) ist eine dimensionslose Größe, welche die normierte Straßenhaftung repräsentiert, gegeben durch: N(rdh) = &Sgr;qi·RMS(Ti)/300 wobei RMS(Ti), i = 1 ... 4, die normierten RMS-Werte der Schwankung der Kraft sind, die durch die vier Räder auf die Straßenoberfläche ausgeübt wird, und qi vier Gewichtungsfaktoren zum Gewichten der vier Beiträge sind. Beispielsweise kann qi = 0,25 für jedes der vier Räder verwendet werden.

Die Gesamtanzahl der Variablen beträgt 84: Für jede der vier Ecken sind 21 Variablen vorhanden, und zwar sind dies die zwei Eingangsgrößen in1, in2 mit drei Gaußglocken-Zugehörigkeitsfunktionen (die durch zwei Größen gekennzeichnet sind: Mittelwert und Breite), die neun Fuzzy-Regeln, und die neun ein-elementigen Mengen für die Ausgangsgröße out. Der Einfachheit halber können lediglich die neun ein-elementigen Mengen optimiert werden, wodurch die in 5 dargestellten Werte erhalten werden.

Die Fuzzy-Steuereinrichtung 34, der Berechnungsblock 35 und die Nachschlagetabelle 36 können in der Praxis unter Verwendung eines Mikroprozessors implementiert sein.


Anspruch[de]
Verfahren zum Steuern eines halbaktiven Fahrzeugaufhängungssystems, das mindestens eine Aufhängung aufweist, die eine nicht-aufgehängte Masse (2) und eine Feder (3) beinhaltet, die sich zwischen der nicht-aufgehängten Masse und einer Straßenoberfläche (r) befindet, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

Erfassen dynamischer Fahrzeuggrößen (S1, S2, ..., Sn) während der Fahrzeugfahrt;

Berechnen, auf Basis der erfassten dynamischen Größen, einer Solldämpfungskraftkennlinie (Fam[1:4]) für die mindestens eine Aufhängung des Aufhängungssystems (33), die geeignet ist, eine Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers im Wesentlichen zu minimieren und dabei gleichzeitig eine Schwankung einer Kraft im Wesentlichen zu minimieren, die durch die mindestens eine Aufhängung auf die Straßenoberfläche übertragen wird, wobei das Berechnen auf dem Sky-Hook-Steuermodell basiert;

Steuern (34, 35, 36) der mindestens einen Aufhängung, so dass die jeweilige Dämpfungskraftkennlinie in Übereinstimmung mit der berechneten Dämpfungskraftlinie gebracht wird,

wobei das Berechnen der Solldämpfungskraftkennlinie beinhaltet, eine gewichtete Summe aus der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers und aus der Schwankung der durch die nicht-aufgehängte Masse auf die Straßenoberfläche ausgeübten Kraft zu minimieren, wobei die gewichtete Summe auf Gewichtungsfaktoren (p[1:4], (1 – p[1:4])) basiert, die während der Fahrzeugfahrt unter Verwendung der erfassten dynamischen Größen dynamisch berechnet werden,

dadurch gekennzeichnet, dass das Minimieren der gewichteten Summe eine Verwendung der quadratischen Mittelwerte der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers und der Schwankung der Kraft beinhaltet, die durch die nicht-aufgehängte Masse auf die Straßenoberfläche ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Berechnen der Dämpfungskraftkennlinie für die mindestens eine Aufhängung ein Fuzzifizieren der erfassten dynamischen Größen (S1, S2, ..., Sn), ein Anwenden eines vorgeschriebenen Satzes von Fuzzy-Regeln auf die fuzzifizierten Größen, und ein Defuzzifizieren eines Ergebnisses dieser Regeln beinhaltet. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Anwenden eines vorgeschriebenen Satzes von Fuzzy-Regeln und das Defuzzifizieren eines Ergebnisses der Regeln die Gewichtungsfaktoren (p[1:4], (1 – p[1:4])) liefert, die zur eindeutigen Bestimmung von Dämpfungskoeffizienten (Crel, Csky) des Sky-Hook-Steuermodells verwendet werden sollen. Verfahren nach Anspruch 3, das umfasst, dass auf Basis der Gewichtungsfaktoren (p[1:4], (1 – p[1:4])) ein Wert einer Kraft (Fam[1:4]) berechnet wird, die durch die mindestens eine Aufhängung auf das Fahrzeug ausgeübt werden soll. Verfahren nach Anspruch 4, das umfasst, dass auf Basis des berechneten Kraftwertes (Fam[1:4]) Ansteuersignale zum entsprechenden Steuern der mindestens einen Aufhängung bestimmt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Berechnen der Solldämpfungskraftkennlinie und das Steuern der Dämpfungskraftkennlinie für jede Aufhängung des Aufhängungssystems unabhängig ausgeführt werden. Vorrichtung zum Steuern eines halbaktiven Fahrzeugaufhängungssystems, das mindestens eine Aufhängung beinhaltet, wobei die mindestens eine Aufhängung eine nicht-aufgehängte Masse (2) und eine Feder (3) beinhaltet, die sich zwischen der nicht-aufgehängten Masse und einer Straßenoberfläche befindet, wobei die Vorrichtung beinhaltet:

ein Steuersystem (34, 35, 36), das ausgebildet ist, um während der Fahrzeugfahrt erfasste dynamische Fahrzeuggrößen (S1, S2, ..., Sn) zu empfangen, wobei das Steuersystem beinhaltet:

eine Einrichtung zum Berechnen einer Solldämpfungskraftkennlinie (Fam[1:4]) für die mindestens eine Aufhängung des Aufhängungssystems (33) basierend auf dem Sky-Hook-Steuermodell, das auf die erfassten dynamischen Größen angewandt wird, wobei die Solldämpfungskraftkennlinie geeignet ist, eine Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers im Wesentlichen zu minimieren und dabei gleichzeitig eine Schwankung einer Kraft, die durch die mindestens eine Aufhängung auf die Straßenoberfläche übertragen wird, zu minimieren, und

eine Steuereinrichtung zum Steuern der mindestens einen Aufhängung, um die jeweilige Dämpfungskraftkennlinie in Übereinstimmung mit der berechneten Dämpfungskraftkennlinie zu bringen,

wobei die Einrichtung zum Berechnen der Solldämpfungskraftkennlinie eine Einrichtung zum Minimieren einer gewichteten Summe aus der Beschleunigung des Fahrzeugkörpers und aus der Schwankung der durch die nicht-aufgehängte Masse auf die Straßenoberfläche ausgeübten Kraft beinhaltet, wobei die gewichtete Summe auf Gewichtungsfaktoren (p[1:4], (1 – p[1:4])) basiert,

wobei die Einrichtung zur Berechnung der Solldämpfungskraftkennlinie die Gewichtungsfaktoren während der Fahrzeugfahrt unter Verwendung der erfassten dynamischen Größen dynamisch berechnet,

dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Minimieren der gewichteten Summe eine Einrichtung zum Berechnung der quadratischen Mittelwerte der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers und der Schwankung der Kraft beinhaltet, die durch die nicht-aufgehängte Masse auf die Straßenoberfläche ausgeübt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Einrichtung zur Berechnung beinhaltet: eine Fuzzy-Steuereinrichtung (34), welche die erfassten dynamischen Größen empfängt, um auf Basis eines vorgeschriebenen Satzes von Fuzzy-Regeln die Gewichtungsfaktoren (p[1:4], (1 – p[1:4])) zu berechnen, die für ein eindeutiges Bestimmen von Dämpfungskoeffizienten (Crel, Csky) des Sky-Hook-Steuermodells verwendet werden sollen, eine Berechnungseinheit (35), die auf Basis der berechneten Gewichtungsfaktoren (p[1:4], (1 – p[1:4])) einen Wert einer Kraft (Fam[1:4]) berechnet, die durch die mindestens eine Aufhängung auf das Fahrzeug ausgeübt werden soll, und eine Tabelle (36), um auf Basis des berechneten Kraftwertes (Fam[1:4]) Ansteuersignale zum entsprechenden Steuern der mindestens einen Aufhängung zu bestimmen. Halbaktives Fahrzeugaufhängungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8 beinhaltet. Verfahren zum Optimieren einer Steuervorrichtung zum Steuern eines halbaktiven Fahrzeugaufhängungssystems, das mindestens eine Aufhängung beinhaltet, wobei die mindestens eine Aufhängung eine nicht-aufgehängte Masse (2) und eine Feder (3) beinhaltet, die sich zwischen der nicht-aufgehängten Masse und einer Straßenoberfläche befindet, wobei die Vorrichtung ein Steuersystem (34, 35, 36) beinhaltet, das ausgebildet ist, um während der Fahrzeugfahrt erfasste dynamische Fahrzeuggrößen (S1, S2, ..., Sn) zu empfangen, wobei das Steuersystem beinhaltet:

eine Einrichtung zum Berechnen einer Solldämpfungskraftkennlinie (Fam[1:4]) für die mindestens eine Aufhängung des Aufhängungssystems (33) basierend auf dem Sky-Hook-Steuermodell, das auf die erfassten dynamischen Größen angewandt wird, wobei die Solldämpfungskraftkennlinie geeignet ist, eine Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers im Wesentlichen zu minimieren und dabei gleichzeitig eine Schwankung einer Kraft, die durch die mindestens eine Aufhängung auf die Straßenoberfläche übertragen wird, zu minimieren, und

eine Steuereinrichtung zum Steuern der mindestens einen Aufhängung, um die jeweilige Dämpfungskraftkennlinie in Übereinstimmung mit der berechneten Dämpfungskraftkennlinie zu bringen,

wobei die Einrichtung zum Berechnen der Solldämpfungskraftkennlinie eine Einrichtung zum Minimieren einer gewichteten Summe aus der Beschleunigung des Fahrzeugkörpers und aus der Schwankung der durch die nicht-aufgehängte Masse auf die Straßenoberfläche ausgeübten Kraft beinhaltet, wobei die gewichtete Summe auf Gewichtungsfaktoren (p[1:4], (1 – p[1:4])) basiert, wobei die Einrichtung zur Berechnung der Solldämpfungskraftkennlinie die Gewichtungsfaktoren während der Fahrzeugfahrt unter Verwendung der erfassten dynamischen Größen dynamisch berechnet,

wobei das Optimierungsverfahren beinhaltet:

Nutzen eines genetischen Algorithmus zum Optimieren einer Zielfunktion, welche die Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers beinhaltet,

dadurch gekennzeichnet, dass es weiter umfasst:

Berechnen quadratischer Mittelwerte der Vertikalbeschleunigung des Fahrzeugkörpers und der Schwankung der durch die nicht-aufgehängte Masse auf die Straßenoberfläche ausgeübten Kraft, und

Verwenden der berechneten quadratischen Mittelwerte in der zu optimierenden Zielfunktion.






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