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Die
Erfindung betrifft eine adaptive Aggregatelagerung für
ein Aggregatelager eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des
ersten Anspruchs.
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Aggregatelager
liegen in der Verbindung eines Getriebe- oder Motorteils zum Fahrzeugaufbau. Sie
sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt.
Sie können Schwingungen bzw. Relativbewegungen zwischen
den Anschlussteilen ermöglichen und dämpfen.
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Motorlager
nehmen sowohl die statischen und dynamischen Motorhaltekräfte
im Fahrbetrieb auf, als auch dämpfen sie die daraus resultierenden niederfrequenten
Schwingungen des Motors. Darüber hinaus sollen sie die Übertragung
von akustischen Schwingungen und Vibrationen, die sich vom Motor
auf die Karosserie und damit den Fahrgastraum ausbreiten, unterbinden.
Dafür sollten solche Lager im niederfrequenten und im hochfrequenten Bereich
unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfung
aufweisen. Dies bedingt bei der Auslegung solcher Lager erhebliche
Kompromisse, die bei ungünstigen Bedingungen weit vom jeweiligen
Optimum liegen können. Gute Ergebnisse wurden bisher durch
hydraulisch gedämpfte Motorlager erreicht, die eine hohe
Dämpfung niederfrequenter Schwingungen bewirken und gleichzeitig
eine gezielte Entkopplung hochfrequenter Schwingungen ermöglichen.
Aber auch bei solchen Lagern sind die Eigenschaften im niederfrequenten
und im hochfrequenten Bereich nicht unabhängig voneinander
einstellbar, wodurch die Abstimmung auf die jeweils geforderten
Werte sehr aufwändig wird. Darüber hinaus ist
bei solchen hydraulisch gedämpften Motorlagern im allgemeinen
eine Veränderung der dynamischen Federsteifigkeit nur in
axialer, d. h. in vertikaler Richtung möglich, während
diese in radialer Richtung weitgehend unverändert bleibt,
so dass eine gesteuerte Federsteifigkeitsänderung, die
sich den jeweiligen Betriebszuständen anpasst, nicht möglich
ist. Bei schaltbaren Hydrolagern erfolgt eine Verstellung bzw. Anpassung
für den Leerlaufbetrieb elektrisch oder durch Unterdruck.
Diese ist sehr langsam und liegt im Bereich von 2 bis 5 Sekunden.
Zudem kann nur eine Dämpfung geändert werden.
Normalerweise bewirkt eine Steifigkeitsänderung eines Motorlagers auch
immer eine Dämpfungsänderung.
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Die
noch nicht veröffentlichte
deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
10 2008 057 577.1 beschreibt ein Elastomer-Lager, insbesondere ein
Motorlager oder ein Fahrwerkslager eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens
einem zwischen mindestens zwei Stützkörpern eingebrachten
Feder-/Dämpferkörper, der über mindestens
einen weiteren Stützkörper im Bedarfsfall abstützbar
ist. Das Elastomer-Lager ist dadurch gekennzeichnet, dass der weitere
Stützkörper den Feder-/Dämpferkörper
so abstützen kann, dass dessen Dehnfähigkeit verstellbar beeinflusst
wird. Damit kann die Federsteifigkeit eines reinen Elastomer-Lagers,
abhängig von vorgegebenen Betriebsparametern, im Betrieb
stufenlos variiert werden, und zwar in dem Sinne, dass ein solches
Lager bei großen Schwingungsamplituden zum Beispiel bei
niedrigen Drehzahlen oder insbesondere im Leerlauf, relativ weich
und bei höheren Betriebsdrehzahlen relativ hart ist. Der
Feder-/Dämpferkörper kann in Abhängigkeit
vorgegebener Betriebsparameter, zeitweise, mittels verschieden großer,
von außen aufgebrachter Kraft so belastet werden, dass
sich dessen Elastizitätsmodul entsprechend der gerade erwünschten
Feder-/Dämpfungseigenschaften des Elastomer-Lagers einstellen
lässt. Damit ist es möglich, die Federsteifigkeit
des Elastomer-Lagers nach vorgegebenen Anforderungen und Betriebsparametern
zu variieren. Ein zweckmäßiger Betriebsparameter
ist hierbei zum Beispiel die Motordrehzahl, abhängig von
deren Höhe dann im Leerlauf eine weiche und bei Volllast
eine harte Kennlinie des Elastomer-Lagers eingestellt werden kann.
So werden motorerregte Schwingungen über eine best mögliche Schwingungsisolation
durch die weiche, ungedämpfte Einstellung des Elastomer-Lagers
verhindert und eine Schwingungsanregung des Motors durch Fahrbahnunebenheiten
wird andererseits über eine steife Anbindung des Motors
an das Fahrwerk unterbunden. Eine individuell an die Betriebsbedingungen
des Kraftfahrzeugs anpassbare, so genannte adaptive Motorlagerung
durch ein solches erfindungsgemäßes semi-aktives,
also durch Beeinflussung des Lagers in seinen Eigenschaften veränderbares
Elastomer-Lager eröffnet auch ein großes Potential
zur Verbesserung des Fahrkomforts. Sinnvoll ist hier die Berücksichtigung
von Motordrehzahl, Radbeschleunigung und/oder Vorderachsträger-Beschleunigung.
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Bei
einem Verfahren zur Variation der Federsteifigkeit des Motorlagers
für Kraftfahrzeuge berechnet ein Steuergerät,
abhängig von fahrtspezifischen Eingangsgrößen,
wie insbesondere Motordrehzahl und/oder Fahrzeuggeschwindigkeit
und/oder Fahr bahnbeschaffenheit bzw. Einfeder-/Ausfederdaten des
Fahrwerks, zum Beispiel die Radbeschleunigung, einen notwendigen
Momentanwert des Formfaktors für die Abstützung
des Feder-/Dämpferelements durch die Stützkörperelemente
des weiteren Stützkörpers und stellt diesen Momentanwert
des Formfaktors am Feder-/Dämpferelement durch Ansteuerung,
insbesondere Bestromung, eines Aktuators ein.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine solche Aggregatelagerung semi-aktiv bzw.
adaptiv so zu regeln, dass durch einen Motor-Getriebe-Verbund angebunden
an ein Fahrwerk, einerseits möglichst wenig motorerregte
Schwingungen in den Fahrgastraum übertragen werden und
andererseits über das Fahrwerk bzw. Rad der Motor-Getriebe-Verbund nicht
zum Schwingen angeregt wird. Dabei ist eines der Hauptprobleme der
Aggregatelagerung die periodische, in Nähe der Eigenfrequenz
liegende, Anregung der Aggregatelager durch Vertikalbewegungen der
Fahrzeugräder. Diese bewirken eine entsprechend phasenverschobene
Anregung des Vorderachsträgers, welcher unmittelbar die
Aggregatelager anregt, was wiederum dort eine starke Verstärkung und
damit eine Erhöhung der Amplitude von Motor zu Karosserie
bewirkt. Ein solches von der Fahrbahn induziertes Verhalten wird
Stuckern genannt, was durch die Erfindung verhindert werden soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus dem abhängigen Anspruch.
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Nach
der Erfindung ist eine Aggregatelagerung für Kraftfahrzeuge
zur Variation der Dämpfung und/oder der Steifigkeit mindestens
eines Aggregatelagers, insbesondere eines Elastomer-Lagers, die eine
Regeleinrichtung umfasst, die die Variation der Dämpfung
und/oder der Steifigkeit bestimmt und der als Eingangsgröße
mindestens ein während des Kraftfahrzeugbetriebs laufend
aufgenommener Messwert dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung
unter Verwendung des Messwerts mittels eines Prädiktionsalgorithmus
insbesondere nach den Methoden Levinson-Durbin (LD) und/oder Rekusiver-Least-Squares
(RLS) und/oder Least-Mean-Squares (LMS), laufend einen iterativen
oder direkten Mehrschrittprädiktor berechnet, der nachfolgend
eine Vorhersage der Vertikalbeschleunigung des Radträgers
und/oder des Vorderachsträgers für eine bestimmte
Vorhersagezeit erstellt und ein Stellglied zur Einstellung der Dämpfung
und/oder der Steifigkeit des Aggregatelagers so ansteuert, dass nach
Ablauf der Vorhersagezeit die Federsteifigkeit und/oder die Dämpfung
des Aggregatelagers so eingestellt ist, dass die an das Aggregatelager
weitergeleitete Vertikalbeschleunigung keine Aggregateschwingung
verursacht, die der vertikalen Eigenfrequenz des Verbundes von Aggregat
und Aggregatelager entspricht.
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Das
hat den Vorteil, dass das Stuckern gezielt erkannt wird und durch
frühzeitig möglichen Regeleingriff Komfortminderungen
mit wenig Energieaufwand entgegengewirkt werden kann. Durch Prädiktion
ist schnelleres Eingreifen mit geringem Kostenaufwand durch die
reine Softwarelösung möglich mit einem Zeitvorteil
von bis zu 80 Millisekunden um der Störgröße
entgegen zu wirken.
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Eine
bevorzugte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Messwert mit einer Abtastfrequenz von wenigstens 50 bis
höchstens 1000 Hz, insbesondere mit 128 Hz, erfasst wird. Eine
Wahl der Abtastschrittfrequenz bei im Wesentlichen 128 Hz führt
vorteilhafterweise dazu, dass jede von der Fahrbahn ausgehende Stuckeranregung
in jedem Geschwindigkeitsbereich eines Kraftfahrzeugs erfasst werden
kann und dass gleichzeitig, bei nicht zu hohem Rechenaufwand, der
Vorhersagezeitraum möglichst lang ist. Je höher
die Abtastfrequenz gewählt wird, desto größer
wird der Rechenaufwand, allerdings bei besserer Auflösung,
und desto kleiner wird der Vorhersagezeitraum. Je nach Anwendung, Auslegung
und Aufwand sind aber Abtastfrequenzen von 50 bis 1000 Hz möglich.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
weiter erläutert mittels regelungstechnischer Prinzipdarstellungen
und sich für den Fachmann selbst erklärender Flussdiagramme
in den Figuren. Erfindungswesentlich können sämtliche
gezeigten oder beschriebenen Merkmale sein. Es zeigen:
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1:
eine Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen prädiktiven
Regelkonzeptes im Viertelfahrzeugmodell,
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2:
ein erstes Regelungskonzept für einen zeitbasierten Regelungsalgorithmus,
die Radträgerbeschleunigungskompensation im Grundprinzip und
in
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3:
als Regelungskonzept für eine reine Steifigkeitsverstellung,
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4:
ein zweites Regelungskonzept für einen zeitbasierten Regelungsalgorithmus,
die prädiktive modellbasierte Steuerung für den
Spezialfall einer reinen Steifigkeitsveränderung und
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5:
ein drittes Regelungskonzept für einen zeitbasierten Regelungsalgorithmus
im Überblick, die prädiktive gradientenbasierte
Steuerung.
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Die 1 zeigt
die Gesamtansicht eines prädiktiven Regelkonzeptes schematisch
an einem Viertelfahrzeugmodell einer Radaufhängung mit
Aggregatelagerung. An einer Karosserie m2 eines
Kraftfahrzeugs ist über eine gefederte Radaufhängung
c2, d2 ein Vorderrad
m1 angebracht und durch ein semi-aktives
Aggregatelager c3, d3 ein
Antriebsaggregat m3 abgestützt.
Das Kraftfahrzeug ist mit einem Sensor versehen, zum fortlaufenden
Erfassen der Beschleunigung z ..1 des Vorderrads.
Das Ausgangssignal z ..1 dieses Sensors wird
einer prädiktiven Regelung zugeführt. Diese ist
so ausgebildet, dass sie das adaptive Aggregatelager c3,
d3 regelt, über eine variable Dämpfung
d3, deren Dämpfkoeffizient prädiktiv geregelt
wird, und die prädikative Änderung der Federkonstante
der Federung c3, die parallel zum Dämpfer
wirkt.
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Der
Grundgedanke der Erfindung ist, die Aggregatelager bei einer Anregung
in Nähe der Eigenfrequenz nicht aufschwingen zu lassen,
sondern bereits zu Beginn und/oder im Vorfeld der Anregung zu reagieren.
Dies kann durch Vorhersage, also Prädiktion der Vorderachsträgerbeschleunigung
und Regelung der Aggregatelager auf dieses vorhergesagte Signal
erfolgen, oder aber auch unter Nutzung des längeren Signalpfades,
das heißt, da die erste Anregung des Gesamtsystems über
die Fahrbahn am Rad erfolgt, ist entsprechend die periodische Anregung
zuerst am Rad zu detektieren. Wenn dieses Signal anschließend
noch vorhergesagt wird, erhöht sich die zur Verfügung
stehende Zeit für Regelungs- oder Steuerungseingriffe noch
mehr.
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Zur
Signalgewinnung wird, wie oben gezeigt, über Beschleunigungssensoren,
die neu verbaut oder bereits durch Fahrwerkregelsysteme vorhanden sind,
die Beschleunigung der beiden Vorderräder
1 gemessen und weitergeleitet. Dieses abgetastete diskrete
Signal wird anschließend tiefpass-gefiltert. Dies kann
entweder in Hardware oder als Softwarefilter erfolgen. Allerdings
ist aufgrund der Berechnungsdauer ein Hardwarefilter zu bevorzugen.
Die Tiefpassfilterung beschränkt sich auf einen Bereich von
0–20 Hz.
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Dieses
gefilterte Signal ist Eingang für die Prädiktion,
die linear oder nicht linear erfolgen kann, wobei erstere für
diesen Anwendungsfall aber bereits ausreichend ist. Mögliche
Prädiktionsalgorithmen sind beispielsweise Levinson-Durbin
(LD), Rekusiver-Least-Squares (RLS) und Least-Mean-Squares (LMS).
Besonders bewährt hat sich im Fall der Stuckererkennung
der iterative Rekursive Least-Mean-Squares Algorithmus. Dieser zeigt
besonders bei Strecken mit typischem Stuckerprofil, zum Beispiel bei
einer Betonautobahn mit Querfuge, besonders gute Ergebnisse.
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Mit
Hilfe der Prädiktionsalgorithmen kann die Vorhersage des
Signals berechnet werden. Bei Versuchen konnte für den
RLS-Algorithmus bei geeigneter Abtastrate und Filterlänge
eine Vorhersage von bis zu 65 ms erzielt werden. Dieses vorhergesagte Beschleunigungssignal
dient dann im nächsten Schritt als Eingang für
den Regler eines mechatronischen Aggregatelagers. Das Ziel der Regelung,
die Aggregatelager an bestimmte Fahrsituationen anzupassen und prädiktiv
gegen das Phänomen Stuckern zu regeln soll auch die Beschleunigung
des Fahrers in Hubrichtung minimieren. Vereinfacht kann dies mit der
Minimierung der Beschleunigung z ..2 in 1 beschrieben
werden. Mögliche Regelungskonzepte sind entweder frequenzbasierend
oder zeitbasierend. Zeitbasierende Regler haben aber in den Versuchen
bei der Güte und der Berechnungsdauer und somit der Online-Fähigkeit
deutliche Vorteile gegenüber frequenzbasierenden Reglern
gezeigt.
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Bei
den zeitbasierenden Regelungsalgorithmen sind drei verschiedene
Regler hervorzuheben, die Radträgerbeschleunigungskompensation,
dargestellt in den 2 und 3, die prädiktive
modellbasierte Steuerung, dargestellt in 4, und die
prädiktive gradientenbasiete Steuerung, dargestellt in 5.
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Bei
der Radträgerbeschleunigungskompensation wird die Feder-
und Dämpferkraft des Aggregatelagers so angepasst, dass
diese der Radbeschleunigung entgegenwirkt und kompensiert. Dadurch
wird eine deutliche Minderung der Gesamtbeschleunigung in Hubrichtung
erzeugt.
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Bei
der prädiktiven modellbasierten Steuerung erfolgt, in einem
einfachen Ersatzmodell, eine Berechnung der Fahrer- bzw. Karosseriebeschleunigung z ..2. Zur Berechnung werden die vorhergesagten Radbeschleunigungswerte
sowie verschiedene Konfigurationen von Steifigkeits- und Dämpfungswerten verwendet.
Die Berechnung mit den einzelnen Konfigurationen erfolgt parallel
in einem Zeitschritt. Nach jedem Berechnungsschritt werden anschließend
die Beschleunigungswerte verglichen und die Konfiguration mit der
niedrigsten Fahrer-Karosseriebeschleunigung ausgewählt.
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Bei
der prädiktiven gradientenbasierten Steuerung nach 5 wird
im kritischen Frequenzbereich von dem prädizierten Signal
der Effektivwert (Root-Mean-Square RMS) gebildet. Anschließend werden
zwei parallele Entscheidungsprozesse gestartet.
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wird, wenn dieser Effektivwert eine definierte Grenze (hier 0,4
m/s2) überschreitet, die Steifigkeit
des Aggregatelagers auf ein Maximum gestellt und die Dämpfung
auf ein geeignetes Maß angepasst.
- • Zweitens wird gleichzeitig der Gradient des Effektivwertes
berechnet. Je nach Größe dieses Gradienten und
somit des Anstiegs des Effektivwertes wird anteilig Steifigkeit
und/oder Dämpfung erhöht.
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Durch
die Erhöhung der Steifigkeit wird die Eigenfrequenz des
Lagers erhöht. Somit kann bei kritischer Anregung, für
die niedrige Steifigkeit, die Eigenfrequenz des Aggregatelagers
in Richtung höherer Frequenzen verschoben werden. Dies
bewirkt, dass sich das Aggregat nur gering aufschwingt und somit
keine Komfortbeeinträchtigung darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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