Verfahren zur Regelung des Fahrzeugaufbauniveaus bei Kraftfahrzeugen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Fahrzeugaufbauniveaus bei Kraftfahrzeugen mit Hilfe eines elektromechanisch verstellbaren Federbeins, welches an einem ersten Befestigungspunkt mit dem Fahrzeugaufbau und an einem zweiten Befestigungspunkt mit einem Radführungselement verbunden ist und einen in axialer Richtung verstellbaren Federteller, an dem sich eine den Fahrzeugaufbau tragende Aufbaufeder abstützt, eine zwischen dem Federteller und dem Aufbau wirksame Speicherfeder und einen eine Spindel und ein Getriebe aufweisenden Spindeltrieb zur Verstellung der axialen Position des Federtellers umfasst, wobei der Spindeltrieb durch einen über ein Steuergerät angesteuerten Elektromotor angetrieben und zur Regelung des Fahrzeugaufbauniveaus die tatsächliche Federbeinlänge durch Verstellung der axialen Position des Federtellers geregelt wird.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren zur Regelung des Fahrzeugaufbauniveaus bei Kraftfahrzeugen bekannt. So ist aus der DE 101 22 542 A1 eine Vorrichtung zur Regelung von Bewegungen des Aufbaus von Kraftfahrzeugen bekannt, wobei der Aufbau über eine Serienschaltung aus einem Stellglied und einer Tragfeder an zumindest einer Radachse mittelbar oder unmittelbar abgestützt ist. Als Stellglied wird ein einen Elektromotor umfassender elektromagnetischer Antrieb vorgeschlagen und die Regelung der Bewegungen des Aufbaus erfolgt durch Verstellung eines in axialer Richtung verstellbaren Federtellers mittels eines Spindeltriebs. Zum Durchführung der aus der DE 101 22 542 A1 bekannten Regelung ist mindestens die Sensorinformation über die Einfederwege des Federbeins notwendig. Daher sind in jedem Fall die Federbeine mit Wegsensoren ausgestattet. Zusätzlich können auch noch Sensoren für die Aktuatorwege vorgesehen sein.

Die Verwendung von Wegsensoren zur Messung des Einfederweges des Federbeins ist aufwendig und mit erhöhten Kosten verbunden. Neben den Sensoren selbst wird auch entsprechender Bauraum für die Unterbringung der Sensoren und die Verkabe-

lung benötigt. Wenn ein Sensor fehlerhaft arbeitet und z.B. ungenaue Messwerte liefert, so funktioniert die gesamte Niveauregelung nicht richtig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem auf Sensoren und Sensorinformationen verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird jeweils gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass allein aus den ohne Sensoren auf einfache Weise abgreifbaren Messgrößen für den Motorstrom und den Motorwinkel des Elektromotors alle zur Regelung des Aufbauniveaus erforderlichen Größen bestimmt werden können, und dass die Regelung des Aufbauniveaus des Fahrzeugs allein über eine Regelung des Motorwinkels am Elektromotor erfolgen kann. Eine Erfassung des Einfederweges des Federbeins und ggf. zusätzlich der Aktuatorwege über Wegsensoren ist bei der Erfindung nicht erforderlich. Auf derartige Wegsensoren kann vollständig verzichtet werden.

Ein wichtiger Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gedanke, durch Bildung eines mechanischen Kräftegleichgewichts am Federteller und unter Berücksichtigung der entsprechenden Federraten wesentliche, für die erfindungsgemäße Niveauregelung erforderliche Größen zu bestimmen. Hierzu werden zunächst die auf den axial verstellbaren Federteller einwirkenden äußeren Kräfte bestimmt. Dabei kann entweder, wie dies bei dem im Patentanspruch 1 beschriebenen Verfahren der Fall ist, zwischen dem Federteller und dem mit dem Fahrzeugaufbau verbundenen Befestigungspunkt lediglich ein Spindeltrieb angeordnet sein. In diesem Fall wirken auf den Federteller nur zwei Kräfte ein, nämlich einerseits die von dem Spindeltrieb und andererseits die von der Aufbaufeder auf den Federteller übertragenen Kräfte. Alternativ kann zwischen den mit dem Fahrzeugaufbau verbundenen Befestigungspunkt und dem Federteller zusätzlich und parallel zu dem Spindeltrieb noch eine Speicherfeder vorgesehen sein. In diesem Fall, der dem Verfahren gemäß Patentanspruch 2 zu Grunde liegt und der weiter unten in der Beschreibung des konkreten

Ausführungsbeispiels erläutert ist, wirken auf den Federteller drei Kräfte ein, nämlich die von dem Spindeltrieb, von der Speicherfeder und von der Aufbaufeder auf den Federteller übertragenen Kräfte.

Im Folgenden wird die Erfindung für das letztgenannte Ausführungsbeispiel beschrieben, das heißt für den Fall, dass parallel zu dem Spindeltrieb noch zusätzlich eine Speicherfeder zwischen dem Federteller und dem Fahrzeugaufbau vorgesehen ist. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich keine grundsätzlichen Abweichungen hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben, wenn auf die Speicherfeder verzichtet wird. Es ist dann lediglich eine Kraft weniger zu berücksichtigen. Die Erfindung wird daher am besten und umfassendsten beschrieben, wenn die Ausführungsform mit Speicherfeder beschrieben wird.

Um das mechanische Kräftegleichgewicht am Federteller bilden zu können, werden zunächst die auf den axial verstellbaren Federteller einwirkenden äußeren Kräfte bestimmt, d.h. einerseits wird die von dem Elektromotor über den Spindeltrieb auf den Federteller einwirkende Kraft bestimmt, und andererseits wird die von der Speicherfeder auf den Federteller einwirkende Kraft bestimmt. Zur Bestimmung dieser Kräfte werden dabei ausschließlich zwei Messwerte benötigt, nämlich einerseits der dem Motor zugeführte Strom (Motorstrom IMOT) und andererseits der tatsächliche Motorwinkel, den der Elektromotor relativ zur der Winkellage hat, bei der sich der verstellbare Federteller in Konstruktionslage befindet. Aus dem Messwert für den Motorstrom wird die von dem Spindeltrieb auf den Federteller tatsächlich einwirkende Kraft bestimmt. Aus dem Messwert für den tatsächlich vorliegenden Motorwinkel wird zunächst einmal die tatsächliche Länge der Speicherfeder relativ zu der Länge bestimmt, die die Speicherfeder hat, wenn sich der Federteller in Konstruktionslage befindet. Aus diesem Wert für die tatsächliche Länge der Speicherfeder bzw. aus der Differenz der beiden vorgenannten Längen wird sodann unter Berücksichtigung der Federkennung die von der Speicherfeder auf den Federteller einwirkende tatsächliche Kraft bestimmt.

Durch Bildung des mechanischen Kräftegleichgewichts am Federteller für den quasistatischen Fall wird sodann die Kraft bestimmt, die von der Aufbaufeder auf den Federteller tatsächlich einwirkt. Aus diesem Wert lässt sich dann die tatsächliche Länge

der Aufbaufeder auf einfache Weise bestimmen, da diese beiden Werte miteinander über die Federkonstante gemäß der für Federn allgemein geltenden Beziehung F = c ^• X verknüpft sind (F = Federkraft, c = Federkonstante; X = Federweg).

Aus der Summe der tatsächlichen Längen der Aufbaufeder und der Speicherfeder sowie den bekannten und unveränderlichen geometrischen Maßen des Federbeins ergibt sich dann die tatsächliche Länge des Federbeins, welche wiederum über die fest vorgegebene Achskinematik des Fahrwerks linear mit dem Radhöhenstand, d.h. mit der relativen Position des Rads gegenüber dem Aufbau, verknüpft ist. Diese lineare Verknüpfung zwischen Radhöhenstand und Federbeinlänge kann z.B. durch ein konstantes übersetzungsverhältnis ausgedrückt werden. So kann eine bestimmte Fahrzeugachse beispielsweise ein konstruktionsbedingtes kinematisches übersetzungsverhältnis von 0,7 aufweisen, was bedeutet, dass eine änderung des Radhöhenstands von 100 mm eine änderung der Federbeinlänge von 70 mm zur Folge hat und umgekehrt. Folglich kann der Radhöhenstand und damit das Aufbauniveau des Fahrzeugs durch gezielte Veränderung der Federbeinlänge geregelt werden. Zur gezielten Veränderung der Federbeinlänge wird hierzu der höhenverstellbare Federteller dadurch gezielt verstellt, dass der Motorstrom des Elektromotors als regelungstechnische Stellgröße so verändert wird, dass die Differenz zwischen einem vorgebbaren Sollwert und dem Istwert des Motorwinkels auf ein in einem Toleranzbereich liegendes Maß verringert wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen

Fig. 1 ein mechanisches Ersatzschaubild für das höhenverstellbare Federbein ; Fig. 2 ein Regelungsdiagramm für das erfindungsgemäße Regelungsverfahren; Fig. 3 ein Diagramm der Regelstrecke.

In Fig. 1 ist im linken Bildteil das höhenverstellbare Federbein schematisch dargestellt. Das Federbein ist an dem Befestigungspunkt 2 mit einem nicht dargestellten Radführungselement verbunden, während es am Befestigungspunkt 1 mit dem nicht dargestellten Fahrzeugaufbau verbunden ist. Der Abstand zwischen den beiden Befestigungspunkten 1 , 2 entspricht der Länge des Federbeins, die mit LFB bezeichnet

ist. Zwischen den beiden Befestigungspunkten 1 , 2 ist ein in axialer Richtung höhenverstellbarer Federteller 3 angeordnet, an dem der Spindeltrieb 6 und die Speicherfeder 5 einerseits und die Aufbaufeder 4 andererseits angreifen. Die axiale Verstellbarkeit des Federtellers 3 ist durch den Doppelpfeil mit der Bezeichnung ZFT angedeutet, wobei Z die Höhenkoordinate bezeichnet. Mit FFB ist die Federbeinkraft bezeichnet, d.h. die vom Radführungselement auf das Federbein einwirkende Kraft.

Im rechten Bildteil der Fig. 1 ist das Kräftegleichgewicht am befreiten Federteller 3 für den quasistatischen Zustand dargestellt. Die von dem Spindeltrieb 6 auf den Federteller 3 ausgeübte Kraft ist mit FKGT, die von der Speicherfeder 5 auf den Federteller 3 ausgeübte Kraft ist mit FSF und die von der Aufbaufeder auf den Federteller 3 ausgeübte Kraft ist mit FAF bezeichnet. Im quasistatischen Zustand befinden sich die Kräfte KKGT und FSF mit der Kraft FAF im mechanischen Kräftegleichgewicht. In Fig. 1 ist auch zu erkennen, dass sich die Länge des Federbeins LFB aus der Summe der Längen LSF der Speicherfeder, LAF der Aufbaufeder und den festen geometrischen Maßen des Federbeins ergibt.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die eigentliche Regelung erfolgt. Der Motorwinkel cpist und der Motorstrom IMot stellen dabei diejenigen Größen dar, die erfindungsgemäß verstellt werden (Stellgrößen), um eine gewünschte Verstellung der Federbeinlänge LFB und damit des Radhöhenstands HRadjst, der letztlich die Regelgröße bildet, zu erreichen.

Das aktive Federbein weist ein Federbein-Steuergerät auf, welches einen Vergleicher und einen Stromregler, der als Ausgangsgröße den Motorstrom IMot ausgibt, umfasst. Der Motorstrom IMot beaufschlagt den Elektromotor. In Abhängigkeit vom Motorstrom IMot wird die Welle des Elektromotors um einen bestimmten Winkel verdreht, so dass sich ein tatsächlicher Motorwinkel φ _ist einstellt. Dieser Wert des Motorwinkels φis _t wird mittels einer einen Drehgeber umfassenden Messeinrichtung gemessen und zum Vergleicher des Federbein-Steuergerätes rückgeführt. Im Vergleicher wird der Istwert des Motorwinkels φ _ist dann mit einem Sollwert φ _SO ιι durch Differenzbildung verglichen. übersteigt die Differenz eine vorgebbare Toleranz, so wird der Motorstrom IMot über das Regelglied so verändert, dass sich die Differenz (φ _is t - ψsoii) auf ein tolerierbares Maß reduziert.

Zur Bestimmung des Sollwerts φ _so n wird dem Regelsystem ein vorgebbarer Sollwert des Radhöhenstands HRad_sρll zugeführt. Dieser Sollwert gibt das gewünschte Fahrzeugaufbauniveau an. Eine signifikante Abweichung des tatsächlichen Radhöhenstands HRad_ist von dem Sollwert kann sich zum Beispiel aus der Absenkung des Fahrzeugaufbaus infolge einer Zuladung z.B. von Reisegepäck in den Kofferraum des Fahrzeugs ergeben. Die Ermittlung des aktuellen, d.h. des. tatsächlichen Radhöhenstands HRadjst erfolgt ausschließlich unter Verwendung der Messgrößen IMot für den Motorstrom und q>j _St für den Motorwinkel. Wie der tatsächliche Höhenstand HRadjst ausschließlich aus diesen beiden Messwerten ermittelt wird, wird nachstehend zu Fig. 3 erläutert (s.u.).

Der Wert des tatsächlichen Radhöhenstands HRadjst wird durch Differenzbildung mit dem Sollwert HRad_soll verglichen. Die sich ergebende Differenz δH _Ra d bildet das Maß für den Sollwert φ _SO ιι, denn eine Veränderung des Radhöhenstands ist über die Gewindesteigung des Spindeltriebs 6 mit dem Motorwinkel φ verknüpft. Wird also durch Differenzbildung (HRad_soll - HRadjst) ein Wert δH _Rad ermittelt, so ist über die Verknüpfung mit der Gewindesteigung des Spindeltriebs 6 ein Sollwert φ _S oiι festgelegt, um den die Welle des Elektromotors verdreht werden muss, um den Wert δH _R a _d auf ein innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegendes Maß zu reduzieren und somit den Istwert des Radhöhenstands an den gewünschten Sollwert zumindest soweit anzunähern, dass eine verbleibende Abweichung im vorgegebenen Toleranzbereich liegt.

Im Folgenden wird nun anhand von Fig. 3 erläutert, wie die Regelgröße HRadjst allein unter Verwendung systemimmanenter Messgrößen bestimmt werden kann, ohne dass Sensoren benötigt werden, mit denen der Einfederweg des Federbeins oder sonstige Wege wie z.B. die Verstellwege von Betätigungsaktuatoren zur Federbeinverstellung gemessen werden.

Die zu regelnde Größe ist der Radhöhenstand HRadjst, d.h. die relative Position des Rads gegenüber dem Fahrzeugaufbau. Der Radhöhenstand HRadjst ist über die Achskinematik der Fahrzeugachse linear mit der Federbeinlänge LFB verknüpft ist, d.h. eine bestimmte Veränderung der Federbeinlänge LFB bewirkt eine bestimm-

te Veränderung des Radhöhenstands HRadjst. Ziel ist es daher, zur Regelung des Fahrzeugaufbauniveaus die Federbeinlänge LFB zu regeln.

Wie bereits voranstehend zu Fig. 1 erläutert wurde, ergibt sich die tatsächliche Federbeinlänge LFB aus der Summe der Längen LAF der Aufbaufeder 4, LSF der Speicherfeder 5 sowie den Werten der festen geometrischen Maße des Federbeins. Dass diese festen geometrischen Maße des Federbeins als Konstante berücksichtigt werden, wird in Fig. 3 durch das K zum Ausdruck gebracht. Zur Bestimmung der tatsächlichen Federbein länge LFB werden also die Länge LAF der Aufbaufeder und die Länge LSF der Speicherfeder benötigt. Im Folgenden wird erläutert, wie diese Werte erfindungsgemäß ohne Verwendung von Weg- oder Höhenstandssensoren ermittelt werden.

Die Ermittlung der tatsächlichen Länge LAF der Aufbaufeder erfolgt dadurch, dass zunächst über die Bildung eines mechanischen Kräftegleichgewichts an dem Federteller 3 für den quasistatischen Fall die tatsächliche Aufbaufederkraft FAF bestimmt wird, aus der sich über die Rate der Aufbaufeder (d.h. über deren Federkonstante) die Länge LAF der Aufbaufeder sofort bestimmen lässt. Wie voranstehend bereits ausgeführt wurde, ist im quasistatischen Fall die Kraft FAF die den freigeschnittenen Federteller 3 im Gleichgewicht haltende Kraft, die den Kräften FKGT des Spindeltriebs 6 und FSF der Speicherfeder 5 entgegenwirkt. Die von dem Spindeltrieb 6 auf den Federteller 3 tatsächlich einwirkende Kraft FKGT ergibt sich dabei aus dem auf den Spindeltrieb 6 von dem Elektromotor tatsächlich einwirkenden Motormoment MMot, denn dieses Motormoment MMot ist mit der in axialer Richtung auf den Federteller 3 einwirkenden Kraft FKGT über die Gewindesteigung der Spindel verknüpft. Das Motormoment MMot wird also durch den Spindeltrieb 6 in eine auf den Federteller 3 einwirkende axiale Kraft FKGT umgewandelt.

Die Werte des Motormoments MMot und des Motorstroms IMot sind über das Motorkennfeld des Elektromotors miteinander verknüpft, sodass zur Bestimmung des Motormoments MMot nur der Wert des Motorstroms IMot bekannt sein muss. Der Wert für den Motorstrom IMot liegt jedoch aufgrund des gewählten Antriebskonzeptes (permanenterregter Sychronmotor mit stromgeführter Regelung) als abgreifbarer Messwert im Steuergerät des elektromechanischen aktiven Federbeins vor. Aus dem

Messwert für den tatsächlichen Motorstrom IMot kann somit unter Berücksichtigung der voranstehend erläuterten Verknüpfungen die tatsächliche Kraft FKGT, die der Spindeltrieb auf den Federteller 3 ausübt, ohne Verwendung von Sensoren bestimmt werden.

In ähnlicher Weise erfolgt die Bestimmung der für die Bildung des Kräftegleichgewichts am freigeschnittenen Federteller 3 für den quasistatischen Fall benötigten Kraft FSF, die von der Speicherfeder 5 auf den Federteller 3 einwirkt. Die tatsächliche Federkraft FSF der Speicherfeder 5 ergibt sich über die Verknüpfung mit der Federkonstanten aus der tatsächlichen Länge LSF der Speicherfeder 5. Diese tatsächliche Länge LSF der Speicherfeder 5 wiederum ergibt sich aus einem Abgleich der tatsächlichen Position ZFT des Federtellers 3 mit der Länge der Speicherfeder 5 in Konstruktionslage. Die Länge der Speicherfeder 5 in Konstruktionslage ist ein konstanter Wert, was in Fig. 3 wiederum durch das K zum Ausdruck gebracht wird. Je nachdem in welcher Höhe Z der Federteller 3 tatsächlich im Vergleich zu seiner Konstruktionslagenposition steht, weicht die tatsächliche Länge LSF der Speicherfeder 5 von ihrer Konstruktionslagenlänge ab und ist die Kraft FSF von der Kraft verschieden, die vorliegen würde, wenn die Speicherfeder 5 ihre Konstruktionslagenlänge aufweisen würde.

Um den Wert für die tatsächliche axiale Position ZFT des Federtellers 3 zu bestimmen, benötigt man lediglich den tatsächlichen Motorwinkel q>i _St , der wiederum, ebenso wie der voranstehend erwähnte Motorstrom IMot, aufgrund des gewählten Antriebskonzepts im Steuergerät des elektromechanischen aktiven Federbeins als Messwert vorliegt. Die tatsächliche Federtellerposition ZFT ist nämlich über die Gewindesteigung des Spindeltriebs 6 mit dem tatsächlichen Motorwinkel φ _&t verknüpft, so dass sich der Wert für ZFT direkt aus dem Messwert für den Motorwinkel φist bestimmen lässt. Durch den Abgleich des tatsächlichen Wertes ZFT der axialen Federtellerposition mit dem Z-Wert, den der Federteller 3 hätte, wenn die Speicherfeder 5 ihr Konstruktionslagenlänge aufweisen würde, kann somit die tatsächliche Länge LSF und somit die tatsächliche Kraft FSF der Speicherfeder 5 bestimmt werden, ohne dass Sensormesswerte von Weg- oder Höhenstandssensoren benötigt werden.

Somit sind alle für die Bestimmung des aktuellen Wertes der Regelgröße LFB bzw. HRadjst benötigten Werte FKGT, FSF, FAF, LAF und LSF allein aus den Messgrößen IMot und φ _Bt bestimmbar. Sensoren sind nicht erforderlich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit durch gezielte Veränderung des Motorwinkels φ _ιs t die Federbeinlänge LFB ₁ d.h. der Radhöhenstand HRadjst und somit letztlich das Fahrzeugaufbauniveau geregelt werden, ohne dass Sensoren zur Messung von Einfederwegen des Federbeins oder von Verstellwegen der Aktuatoren für die Federtellerverstellung benötigt werden.

Wie voranstehend beschrieben wird die Kraft FAF der Aufbaufeder durch Bildung eines Kräftegleichgewichts am freigeschnittenen Federteller 3 bestimmt. Da die Kraft FAF der Aufbaufeder insoweit von der Kraft FKGT abhängig ist, ist zu beachten, dass die voranstehend zu Fig. 3 beschriebene Verknüpfung von Motormoment MMot (und damit indirekt auch von dem Motorstrom IMot) und der Kraft FKGT über die Gewindesteigung des Spindeltriebs 6 durch die in dem Spindeltrieb 6 vorliegende Reibung beeinflusst wird. So muss beispielsweise zur Vergrößerung der Federbeinlänge LFB ein Motormoment MMot aufgebracht werden, welches zusätzlich zur Gewichtskraft des Fahrzeugaufbaus auch die innere Reibung im Spindeltrieb überwindet. Umgekehrt muss das Motormoment MMot dagegen bei einer Verkürzung der Federbeinlänge LFB der Gewichtskraft des Fahrzeugaufbaus nicht entgegenwirken. Daher hat die Reibung im Spindeltrieb abhängig von der Verstellrichtung des Federtellers 3 einen verfälschenden Einfluss auf die Beziehung zwischen dem Motormoment MMot respektive dem Motorstrom IMot einerseits und der vom Spindeltrieb 6 auf den Federteller 3 einwirkenden Kraft FKGT andererseits.

Um diesen verfälschenden Einfluss zu eliminieren wird ein Mittelwert für den Motorstrom IMot bestimmt, der einen vom Einfluss der Reibung im Spindeltrieb 6 befreiten Zusammenhang zwischen dem Motormoment MMot/dem Motorstrom IMot einerseits und der Kraft FKGT andererseits offen legt. Mit Hilfe dieses Mittelwertes kann bestimmt werden, welcher Motorstrom IMot benötigt wird, um eine bestimmte Kraft FKGT vom Spindeltrieb auf den Federteller einwirken zu lassen.

Um den störenden Einfluss der Reibung zu eliminieren wird daher erfindungsgemäß der Federteller 3 ausgehend von einer Ausgangsposition definiert um einen bestimmten Betrag jeweils in beide Richtungen ausgelenkt und aus den jeweiligen, zur Rückstellung des Federtellers 3 in die Ausgangsposition erforderlichen Werten der Stellgröße IMot ein Mittelwert gebildet.