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Title:
LEVEL CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING A LEVEL ADJUSTMENT SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/206979
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a level adjustment system (1), in particular a level control system, for a motor vehicle, which level adjustment system has an actuator unit (3), which comprises an electric motor (4) and a transmission (5), which is driven by the electric motor and enables level adjustment of the motor vehicle. A control unit (2) is provided for actuating the actuator unit (3), wherein a computation unit (11) is designed to determine by calculation an actuator force (Fc) produced by the actuator unit (3) in interaction with a current sensor (9) that senses the motor current (IM) fed into electric motor (4).

Inventors:
HARKORT, Christian (Bachfeldstraße 14, Erlangen, 91058, DE)
Application Number:
DE2017/100366
Publication Date:
December 07, 2017
Filing Date:
May 03, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG (Industriestraße 1-3, Herzogenaurach, 91074, DE)
International Classes:
B60G17/015; B60G17/018
Foreign References:
DE102006003068B32007-03-01
US20120074660A12012-03-29
US20140175763A12014-06-26
DE102009008612A12010-08-19
DE10345987B42016-01-07
DE3826843C21992-01-16
DE19927681A12000-03-09
DE19802630A11999-09-16
DE102016207615A2016-05-03
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Claims:
Patentansprüche

1 . Niveauverstellungssystem (1 ) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Aktoreinheit (3), welche einen Elektromotor (4) und ein von diesem angetriebenes, eine Niveauverstellung des Kraftfahrzeugs ermöglichendes Getriebe (5) umfasst, sowie mit einem zur Betätigung der Aktoreinheit (3) vorgesehenen Steuergerät (2), wobei eine Berechnungseinheit (1 1 ) in Zusammenwirkung mit einem den in den Elektromotor (4) eingespeisten Motorstrom (IM) erfassenden Stromsensor (9) zur rechnerischen Ermittlung einer durch die Aktoreinheit (3) erzeugten Aktua- torkraft (FAW) ausgebildet ist.

2. Niveauverstellungssystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (1 1 ) in das Steuergerät (2) integriert ist.

3. Niveauverstellungssystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (1 1 ) zusätzlich zur Verarbeitung einer Information über die Motordrehzahl sowie -drehrichtung des Elektromotors (4) ausgebildet ist.

4. Niveauverstellungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (1 1 ) mit einem Datenspeicher (10) gekoppelt ist, welcher zur Speicherung von den Elektromotor (4) betreffenden Daten während mindestens einer Aufwärts-Verstellphase und mindestens einer Abwärts-Verstellphase der Aktoreinheit (3) vorgesehen ist, wobei die Berechnungseinheit (1 1 ) zur Verarbeitung mittlerer Motorströme (livia, IMU), welche sich auf einen eine Aufwärts-Verstellphase und eine Abwärts-Verstellphase umfassenden Verstellzyklus beziehen, ausgebildet ist.

5. Niveauverstellungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (5) richtungsabhängige Reibmomente (MR3, MRU) aufweist.

6. Niveauverstellungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Niveauregulierungssystem ausgebildet ist.

7. Verfahren zum Betrieb eines mindestens einen Elektromotor (4) sowie ein diesem nachgeschaltetes Getriebe (5) umfassenden Niveauverstellungssys- tems (1 ), insbesondere Niveauregulierungssystems, eines Kraftfahrzeugs, mit folgenden Schritten:

- Mittels eines Steuergerätes (2) wird der Elektromotor (4) bestromt, wobei der Motorstrom (IM) bei einem Verstellvorgang messtechnisch erfasst wird,

- der erfasste Motorstrom (IM) wird gespeichert,

- aus dem während des Verstellvorgangs gespeicherten Motorstrom (IM) wird eine im Niveauverstellungssystem (1 ) wirkende Aktuatorkraft (FAW) rechnerisch ermittelt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstrom (IM) während eines Verstellzyklus, welcher eine Aufwärts-Verstellphase und eine Abwärts-Verstellphase umfasst, erfasst und zur Berechnung der Aktuatorkraft (FAW) gemittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Berechnung der Aktuatorkraft (FAW) eine von Null abweichende Differenz (AMR) zwischen einem auf eine erste Verstellrichtung bezogenen Reibmoment (MR3) und einem auf eine zweite Verstellrichtung bezogenen Reibmoment (MRU) des Getriebes (5) einbezogen wird.

1 0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahlabhängigkeit der Differenz (AMR) der von der Verstellrichtung abhängigen Reibmomente (MR3, MRU) in die Berechnung der Aktuatorkraft (FAW) einbezogen wird.

Description:
Niveaurequlierunqssvstem und Verfahren zum Betrieb eines Niveauverstel- lunqssvstems

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Niveauverstellung, insbesondere Niveauregulierung, bei einem Kraftfahrzeug, sowie eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Ein Verfahren zur Niveauregulierung eines Kraftfahrzeugs ist beispielsweise aus der DE 10 2009 008 612 A1 bekannt. Die Niveauverstellung erfolgt hierbei mittels eines Aktors mit einem Elektromotor, welcher ein drehbewegliches Motorelement aufweist, dessen Position inkrementell erfasst wird. Die erfasste Position des Motorelements wird auf eine absolute Höhenposition eines Aktorelements transformiert. Diese bekannte Niveauregulierung arbeitet mit elektromotorischen Spindelantrieben.

Aus der DE 103 45 987 B4 ist eine weitere Niveauverstellung für ein Kraftfahrzeug bekannt, welche mit einem Spindeltrieb arbeitet. Hierbei ist ein Federteller in Axialrichtung einer Feder-Dämpfer-Anordnung verstellbar.

Die DE 38 26 843 C2 offenbart ein Federungssystem für Kraftfahrzeuge, welches eine fahrbahnabhängige Niveauregulierung ermöglichen soll. Im Rahmen dieses Systems wird erfasst, inwieweit Schwellwerte, welche sich auf Einfederwege beziehen, beim Fahren erreicht werden.

Vorrichtungen, die zur Bestimmung von Gewichtskräften von Fahrzeugen vorgesehen sind, sind zum Beispiel aus der DE 199 27 681 A1 sowie aus der DE 198 02 630 A1 bekannt.

Allgemein ermöglicht eine Niveauregulierung, insbesondere mit elektromechanischer Aktuatorik, in einem Kraftfahrzeug ein Anheben und Absenken des Fahrzeugaufbaus an einer oder an mehreren Achsen. Das Absenken des Fahrzeugsaufbaus kann beispielsweise zur Reduzierung des Luftwiderstandes oder zur Erleichterung des Ein- und Ausstiegs sowie des Beiadens erfolgen, wogegen eine Anhebung des Fahrzeugaufbaus beispielsweise zur Anpassung an die Straßenbeschaffenheit in Betracht kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Niveauverstellung, insbesondere Niveauregulierung, eines Kraftfahrzeugs gegenüber dem genannten Stand der Technik hinsichtlich eines besonders günstigen Verhältnisses zwischen eingesetzter Sensorik und Aktorik auf der einen Seite und Funktionsvielfalt sowie Funktionssicherheit auf der anderen Seite weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Niveauverstellungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Niveauverstellungssystems gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Niveauverstellungssystem, und umgekehrt. Als Spezialfall eines Niveauverstellungssystems kann dieses als Niveauregulierungssystem ausgebildet sein. Die Begriffe„Niveauverstellungssystem" und „Niveauregulierungssystem" werden im Folgenden kurz unter dem Begriff„System" subsumiert. Aussagen, die zum Niveauverstellungssystem getroffen werden, behalten auch in Fällen Gültigkeit, in denen es sich hierbei um ein Regulierungssystem handelt.

Das Niveauverstellungssystem umfasst eine Aktoreinheit, welche einen Elektromotor und ein von diesem angetriebenes Getriebe umfasst, wobei mit Hilfe des Getriebes ein Fahrzeugaufbau höhenverstellbar ist. Zur Betätigung der Aktoreinheit ist ein Steuergerät vorhanden, wobei eine vorzugsweise in das Steuergerät integrierte Berechnungseinheit in Zusammenwirkung mit einem Stromsensor, welcher den Motorstrom, mit welchem der Elektromotor bestromt wird, erfasst, zur rechnerischen Ermittlung ei- ner durch die Aktoreinheit erzeugten, in Komponenten des Kraftfahrzeugs zu dessen Niveauverstellung eingeleiteten Aktuatorkraft ausgebildet ist. Durch diese indirekte Bestimmung der Aktuatorkraft über die Motorbestrom ung des Elektromotors des Niveauregulierungssystems sind zusätzliche, direkt wirkende Vorrichtungen zur Kraftmessung nicht erforderlich. Im einfachsten Fall ist die Vorrichtung als Niveauverstellungssystem ausgebildet; in weiterentwickelter Ausgestaltung ist eine Rückkopplung innerhalb des Systems vorhanden, so dass dieses als Niveauregulierungssystem ausgebildet ist.

Sind innerhalb des Niveauverstellungssystems beziehungsweise -regulierungs- Systems mehrere Aktoren vorhanden, so kann durch Summieren der einzelne Stellkräfte auf den Beladungszustand des Kraftfahrzeugs geschlossen werden. Unabhängig von der Anzahl der Aktoren, welche zur Niveauverstellung oder Niveauregulierung genutzt werden, kann die durch das System ermittelte Kraftinformation beispielsweise herangezogen werden, um Einstellungen an der Hinterachse des Kraftfahrzeugs an die Kofferraum beladung anzupassen. Weiterhin ist die mittels des Systems erhaltene Information über den Beladungszustand des Kraftfahrzeugs nutzbar, um Parameter einer fahrdynamischen Fahrzeugregelung automatisch anzupassen.

Zusätzlich zu einer Motor-Phasenstrommessung ist innerhalb des Systems vorzugs- weise auch die Erfassung von Motordrehzahl und/oder -drehrichtung, bezogen auf den mindestens einen Elektromotor der Aktoreinheit, vorgesehen. Neben einer Stellgeschwindigkeit der Niveauverstellung ist somit vorzugsweise auch die Stellrichtung detektierbar.

Eine Weiterentwicklung des Systems trägt der Tatsache Rechnung, dass - abhängig von der Ausgestaltung der Aktorik - die in der Aktorik wirkenden Reibkräfte und -momente typischerweise von verschiedenen Umgebungsbedingungen abhängen und letztlich nur unvollständig bekannt sind. Es hat sich gezeigt, dass trotz Unzulänglichkeiten, was Informationen über die Betriebseigenschaften des Getriebes der Aktorein- heit betrifft, aussagekräftige und zuverlässige Daten zu Aktorkräften und damit zum Beladungszustand des Kraftfahrzeugs gewonnen werden können, indem Kräfte über einen vollen Verstellzyklus, welcher eine Aufwärts-Verstellphase und eine Abwärts- Verstellphase umfasst, erfasst und gern ittelt werden. Zu diesem Zweck ist die Berechnungseinheit mit einem Datenspeicher koppelbar, welcher ebenfalls integraler Bestandteil des Steuergerätes sein kann. Der Datenspeicher ist zur Speicherung von den Elektromotor betreffenden Daten während mindestens einer Aufwärts- Verstellphase und mindestens einer Abwärts-Verstellphase ausgebildet. Sowohl bei der Aufwärtsverstellung als auch bei der Abwärtsverstellung des Fahrzeugaufbaus ist typischerweise eine Proportionalität zwischen dem effektiven Motor-Phasenstrom IM, mit welchem der Elektromotor der Aktoreinheit bestromt wird, und dem erzeugten Mo- tormoment MM gegeben:

MM = CM IM

Hierbei ist CM eine Motorkonstante. Am Abtrieb des Getriebes der Aktoreinheit ergibt sich unter Einbeziehung der Getriebeuntersetzung i eine Stellkraft FAW von

FAM = i (MM - MR) = i (CM IM - MR),

wobei MR die Summe der in der Aktoreinheit auftretenden, durch Reibung verursach- ten Momentenverluste ist. Das Reibmoment MR wirkt beim Anheben des Fahrzeugaufbaus dem vom Elektromotor erzeugten Motormoment MM entgegen. Beim Absenken des Fahrzeugaufbaus wird dagegen durch das Reibmoment MR ein vom Elektromotor aufzubringendes Bremsmoment verringert. Ist das Getriebe, welches innerhalb des Niveauregulierungssystems zum Anheben und Absenken des Fahrzeugaufbaus genutzt wird, als selbsthemmendes Getriebe ausgelegt, so ist auch beim Absenkvorgang ein antreibendes Drehmoment durch den Elektromotor aufzubringen.

Die Größe des Reibmoments MR sowie die Relation zwischen dem Reibmoment MR und dem Motormoment MM ist stark von der Bauart des Getriebes der Aktoreinheit abhängig. Vorzugsweise kommt ein Getriebe zum Einsatz, bei welchem das Reibmoment MR signifikant davon abhängt, ob eine Aufwärts- oder eine Abwärtsverstellung des Fahrzeugaufbaus erfolgt. Dementsprechend bezeichnet MRa das bei der Aufwärtsverstellung zu überwindende Reibmoment und MR u das bei der Abwärtsverstellung wirkende Reibmoment. Damit ergeben sich voneinander abweichende Aktorkräfte bei Auf- beziehungsweise Abwärtsbewegung des Fahrzeugaufbaus:

FAkt.a = I (CM iMa - MRa)

wobei IMa den Motorstrom bei Aufwärtsverstellung und IMU den Motorstrom bei Ab- wärtsverstellung bezeichnet. Mit guter Näherung kann angenommen werden, dass sich die Reibmoment MR 3 und MR u um einen konstanten Wert unterscheiden:

Dieser Zusammenhang gilt zumindest in Fällen, in denen bei der Aufwärtsverstellung und bei der Abwärtsverstellung durch das System einander entsprechende Drehzahlprofile realisiert sind. Die Abhängigkeit des Differenzreibmoments AMR ist bei Bedarf experimentell bestimmbar. Wird bei gleichbleibendem Beladungszustand eine Aufwärtsverstellung und eine Abwärtsverstellung des Fahrzeugaufbaus durchgeführt, so kann mit guter Näherung weiterhin angenommen werden, dass die für die Aufwärtsverstellung geltende Stellkraft FAkt.a der für die Abwärtsverstellung geltenden Stellkraft FAkt.u entspricht. Somit kann die vom System erzeugte Aktuatorkraft FAK folgendermaßen ausgedrückt werden:

FAkt = (FAkt.a + FAkt.u)

Werden die für die Aufwärts- beziehungsweise Abwärtsverstellung geltenden Kräfte FAkt.a und FAkt.u eingesetzt, so ergibt sich FAW = i (CM iMa + CM IMU + MRU - MRa)

und damit

FAkt = ί (CM ( IMa + IMU) + AMR)

Hieraus ist ersichtlich, dass das Reibmoment MR für die Bestimmung der Aktuatorkraft FAW nicht benötigt wird. Stattdessen verarbeitet die Berechnungseinheit neben den Parametern CM und AMR, welche als konstant angenommen werden können, lediglich die Motorströme IM 3 und IMU, aus welchen ein Mittelwert über mindestens einen Verstellzyklus gebildet wird.

Als Getriebe der Aktoreinheit eignet sich insbesondere ein Gewindetrieb. Besonders kommt hierfür ein Gewindetrieb mit ausgeprägt asymmetrischen Reibungseigenschaft in Betracht, wie er beispielsweise in der DE-Patentanmeldung 10 2016 207 615.9 (Anmeldetag: 03. Mai 2016) offenbart ist.

Das Getriebe ist hierbei derart in das System einfügbar sowie auslegbar, dass bei einem Anheben des Fahrzeugaufbaus lediglich ein geringes Bremsmoment wirkt, wo- gegen beim Absenken des Fahrzeugaufbaus ein mehrfaches Bremsmoment wirkt, welches das zusätzlich vom Elektromotor zu erzeugende Bremsmoment stark reduziert oder sogar ein Antriebsmoment während des Absenkens erforderlich macht. Im letztgenannten Fall ist das Getriebe der Aktoreinheit als einseitig selbsthemmendes Getriebe gestaltet. Dies bedeutet, dass eine auf der Ausgangsseite des Getriebes eingeleitete Stellkraft in einer ersten Richtung zu einer eingangsseitigen Bewegung führt, wogegen eine ausgangsseitige Einleitung einer Stellkraft in der entgegengesetzten Richtung eine Sperrung des Getriebes bewirkt. Der Vorteil der Erfindung liegt in jedem Fall darin, dass eine typischerweise ohnehin bei einem elektromechanischen Niveauregulierungssystem vorhandene Ansteuerelektronik genutzt wird, um auf den Beladungszustand des Fahrzeugs zu schließen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 ein Niveauregulierungssystem für ein Kraftfahrzeug in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 in einem Flussdiagramm ein mit dem System nach Fig. 1 durchführbares

Verfahren.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Niveauverstellungssys- tem, nämlich ein Niveauregulierungssystem, ist zum Einbau in ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug, nämlich einen Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug, bestimmt. Das Niveauregulierungssystem 1 ist aufgebaut aus einem Steuergerät 2 und einer Aktoreinheit 3. In nicht dargestellter Weise können innerhalb des Kraftfahrzeugs mehrere Aktoreinheiten 3 vorhanden sein, welche mit Hilfe eines einzigen Steuergerätes 2 oder mehrerer Steuergeräte betätigt werden. Hierbei dient das Niveauregulierungssystem 1 entweder der Niveauregulierung an einer einzigen Achse oder an mehreren Achsen des Kraftfahrzeugs.

Die Aktoreinheit 3 umfasst einen Elektromotor 4 sowie ein von diesem betätigtes Ge- triebe 5, welches ein- oder mehrstufig aufgebaut sein kann, und Kraft in ein Hubelement 7 einleitet, welches mit nicht dargestellten Fahrwerkskomponenten gekoppelt ist. Der Elektromotor 4 und das Getriebe 5 befinden sich im Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Gehäuse 6; das Hubelement 7 ist aus dem Gehäuse 6 ausfahrbar. Durch das Hubelement 7 wird eine Aktuatorkraft FAM auf eine Fahrwerkskomponente übertragen, um das Niveau des Fahrzeugaufbaus des Kraftfahrzeugs zu verstellen. Das Steuergerät 2 wird über eine Anschlussleitung 8 mit elektrischer Energie versorgt. Komponenten des Steuergerätes 2 sind ein Stromsensor 9, ein Datenspeicher 10, eine Berechnungseinheit 1 1 , sowie eine Leistungsendstufe 12. Die Komponenten 9, 10, 1 1 , 12 befinden sich nicht notwendigerweise, wie in Fig. 1 angedeutet, innerhalb einer gemeinsamen Baueinheit. Über eine Leitung 13 wird elektrischer Strom von der Leistungsendstufe 12 zum Elektromotor 4 geleitet. Die Messung dieses Stroms erfolgt mit Hilfe des Stromsensors 9. Gemessene Stromwerte werden, wie nachfolgend noch näher erläutert, im Datenspeicher 10 gespeichert und der Berechnungseinheit 1 1 zuge- führt, welche eine berechnete Kraft Fe ausgibt, die zumindest näherungsweise der Aktuatorkraft FAW entspricht.

Ein in Fig. 2 veranschaulichtes, mit dem Niveauregulierungssystem 1 nach Fig. 1 durchführbares Verfahren beginnt mit einem ersten Verfahrensschritt S1 , welcher im vorliegenden Fall als Aufwärts-Verstellung des Niveauregulierungssystem 1 - kurz: als Rauffahrt - angenommen wird. Während dieser Rauffahrt wird der Motorstrom IM in der Leitung 13 mit Hilfe des Stromsensors 9 gemessen. Im zweiten Schritt S2 erfolgt eine Speicherung und erste Mittelwertbildung, woraus sich ein mittlerer Aufwärts- Stromwert livia ergibt.

Nach der Aufwärtsverstellung und einer eventuellen Betätigungspause des Niveauregulierungssystems 1 erfolgt im Schritt S3 eine Abwärtsverstellung, kurz als Runterfahrt des Niveauregulierungssystems 1 bezeichnet. Auch hierbei wird der Motorstrom IM analog zum ersten Schritt S1 gemessen. Ebenso erfolgt in analoger Weise eine Speicherung und Mittelwertbildung, woraus sich in diesem Fall im Schritt S4 ein auf die Runterfahrt bezogener mittlerer Motorstrom IMU ergibt.

Aus den mittleren Motorstromwerten IM 3 und IMU wird schließlich im Schritt S5 die Kraft Fe berechnet, welche, sofern das Modell realitätsgetreu arbeitet, der Aktuatorkraft FAM entspricht. Eine direkte Kraftmessung an der Aktoreinheit 3 oder an anderen Fahr- werkskomponenten ist somit zur Ermittlung des Beladungszustandes des Kraftfahrzeugs nicht erforderlich.

Bezugszeichenliste

1 Niveauverstellungssystem, Niveauregulierungssystem

2 Steuergerät

3 Aktoreinheit

4 Motor

5 Getriebe

6 Gehäuse

7 Hubelement

8 Anschlussleitung

9 Stromsensor

10 Datenspeicher

1 1 Berechnungseinheit

12 Leistungsendstufe

13 Leitung

FAW Aktuatorkraft, durch die Aktoreinheit erzeugt

Fe berechnete Aktuatorkraft

IM Motorstrom

iMa mittlerer Motorstrom, Rauffahrt

IMU mittlerer Motorstrom, Runterfahrt

S1 ... S5 Verfahrensschritte