Adaptive Regelung aktiver Fahrwerke

Diplomarbeit von Sebastian Spirk

Einleitung:

Die Fahrdynamik moderner PKW wird immer mehr von Fahrwerkregel- und Fahrerassistenzsystemen bestimmt. Mechatronische Komponenten und Systeme machen das Führen von Fahrzeugen komfortabler, sicherer und effizienter. Das Fahrwerk als Verbindung des Fahrzeugs zur Straße trägt dabei die Hauptverantwortung für die aktive Sicherheit der Insassen. Die Radaufhängung muss dabei die statischen und dynamischen Radlasten des Fahrzeugs verteilen, tragen und Schwankungen möglichst gering halten. Zusätzlich soll eine ausreichende Isolation der Insassen gegenüber Straßenunebenheiten erreicht werden. Dabei steht den Fahrwerkskomponenten nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung. Die bestmögliche Erfüllung dieser teils konfliktären Ziele sorgte für stetige Innovationen im Bereich des Fahrwerks seit Erfindung des PKW. Mechanische Fahrwerkskomponenten werden dabei immer mehr durch mechatronische Systeme ersetzt. Der erste bedeutende Einsatz von Elektronik im Bereich der Radaufhängung waren elektronisch geregelte Luftfedersysteme, die durch Zuladung bedingte Einfederung eines Fahrzeugs ausgleichen können, dadurch kann der zur Verfügung stehende Federweg besser genutzt werden und der Zielkonflikt Federweg und Fahrkomfort wird reduziert. Die Einführung von elektronisch geregelten Dämpfern verringerte, durch die Möglichkeit der Adaption, den Konflikt zwischen Fahrsicherheit, die hohe Dämpfkräfte fordert, und komfortorienten niedrigen Dämpfkräften. Durch die Veränderung der Verstelldämpfersysteme von langsam schaltenden Dämpfern mit wenigen, diskreten Kennlinien zu einer schnell reagierenden kontinuierlichen Dämpfkraftregelung veränderten sich auch die angewandten Regelstrategien.

Die steigenden Stellgeschwindigkeiten verhalfen neuen, komplexeren Regelstrategien zum Durchbruch. Dabei ist die Skyhook-Regelung derzeit die am häufigsten angewandte Regelstrategie zur Kontrolle von Aufbauhubbewegungen für schnell schaltende Verstelldämpfersysteme. Bei diesem Konzept wird versucht durch geschicktes Verändern der Dämpfkräfte einen zwischen Himmel (Sky) und Fahrzeugaufbau eingehakten (Hook) Dämpfer zu simulieren. Ein Verstelldämpfersystem kann jedoch zwischen Aufbau und Rad nur dissipative Kräfte erzeugen und deshalb die Regelstrategie nur mit Einschränkungen umsetzen. Solche Systeme, die nur Kräfte entgegengesetzt der Relativbewegung erzeugen können, werden als semiaktive Systeme bezeichnet. Vollaktive Systeme können Kräfte zwischen Aufbau und Rad unabhängig von Einfederweg oder -geschwindigkeit erzeugen. Dabei sind bis jetzt in Serie nur sogenannte langsam aktive Systeme im Einsatz. Sie erlauben eine aktive Kraftstellung, jedoch nur im Bereich bis maximal fünf Hertz. Sie dienen daher der Kontrolle von Aufbaubewegungen wie Wank-, Nick- und Hubbewegungen im Bereich der Aufbaueigenfrequenz. Beispiele für diese langsam aktiven Fahrwerksysteme sind die Aktive Wankstabilisierung, bei der ein aktiver Stabilisator variable Wankabstützungskräfte erzeugt, die Wankbewegungen des Fahrzeugs unterdrücken können, sowie die aktive Federfußpunktverstellung [31], mit der neben Wanken und Nicken auch das Huben des Aufbaus geregelt werden kann. Bei beiden Systemen erfolgt die Krafterzeugung hydraulisch, da hohe Kräfte auf engem Bauraum erzeugt werden müssen und die nötige Energiedichte bisher kostengünstig nur mit hydraulischer Kraftstellung erreicht wird. Schnell aktive Komponenten mit Bandbreiten bis 25 Hertz werden derzeit erforscht, wobei aufgrund des niedrigeren Energieverbrauchs zunehmend Elektromotoren zur Krafterzeugung eingesetzt werden. In [26] wird eine elektromechanische aktive Aufbaukontrolle vorgestellt, ein elektrischer Spindelmotor dient der aktiven Fußpunktverstellung; durch eine parallel geschaltete Stahlfeder wird die statische Last getragen, so dass kein statischer Energiebedarf besteht. Ohne den Bauraum einer üblichen Luftfeder zu überschreiten, konnte der Motor ausreichende Kräfte und Stelldynamik erzeugen um langsam aktive Regelstrategien in einer Oberklasse-Limousine zu verwirklichen und zeigte dabei einen etwa halb so großen Energiebedarf wie ein vergleichbares hydraulisches System. Die steigende Energiedichte von elektromechanischen Komponenten ermöglicht also zukünftig die Anwendung vollaktiver Radaufhängungen in Pkw. Dies zeigt auch die aktive elektromechanische Radaufhängung, die in [9] vorgestellt wird. Der Dämpfer in einem McPherson-Federbein wird durch einen elektrischen Linearmotor ersetzt, der parallel zur mechanischen Feder vollaktiv Kräfte stellen kann. Anhand der Fahrt einer Mittelklasse-Limousine auf einer Rennstrecke wurden die nötigen Dämpf- und Wankkräfte für ein voll aktuiertes Fahrzeug bestimmt. Das aktive Radaufhängungselement konnte dabei auf einem Prüfstand sowohl die dynamischen Wankkräfte von bis zu 4 kN als auch die Dämpfleistung von bis zu 2 kW mit einer Bandbreite von über 20 Hz erzeugen. Ein ähnliches Konzept der Aktuierung liegt dieser Arbeit zugrunde.

Ziel der Arbeit:

In dieser Arbeit soll ein adaptives Regelkonzept für ein vollaktives Viertelfahrzeug entwickelt werden. Als Aktuator wird ein elektrischer Linearmotor verwendet, der parallel zum Federbein wirkt und Kräfte unabhängig von Aufbau- und Radbewegung stellen kann. Der passive Dämpfer bleibt für die grundlegende Dämpfung erhalten, die statische Radlast wird von der Aufbaufeder getragen. Wie die Forschungsergebnisse in [9], [13] und [26] erkennen lassen, findet ein kontinuierlicher Technologiefortschritt im Bereich der elektromechanischen Krafterzeugung in Pkw-Fahrwerken statt, trotzdem hat die für vollaktive Fahrwerke benötigte Aktuatorik noch keine Serienreife erlangt. Dabei wirkt es sich auf die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme positiv aus, dass die hier verwendete Systemkonfiguration vorhandene Teilsysteme, wie Verstelldämpfersysteme als auch teilaktive Systeme wie Wankstabiliserungssysteme oder Federfußpunktverstellungen, vollwertig ersetzen kann und damit obsolet macht. Zusätzlich zu Entwurf und Test des Reglers mittels Simulation werden die theoretischen Ergebnisse an einem Viertelfahrzeug-Prüfstand experimentell validiert. Das am vollaktiven System entwickelte Regelkonzept wird dann auf ein hybrides Fahrwerk mit Serienkomponenten in Form eines semiaktiven Verstelldämpfersystems und einer langsam aktiven Federfußpunktverstellung übertragen. Neben der damit erreichbaren Leistungsfähigkeit des Regelungskonzept wird auch die Energieeffizienz der hybriden Fahrwerkskonfiguration überprüft.

Viele aktive Regelstrategien für Viertelfahrzeugmodelle [4, 33] basieren auf Zustandsrückführungen, wie etwa Linear-Quadratisch-Optimaler Regelung. Da jedoch nicht alle Zustände des Viertelfahrzeugs gemessen werden können, benötigen solche Regler die Schätzung der übrigen Zustände des Viertelfahrzeugs, dies ist jedoch nur mit einer begrenzten Güte möglich, die die praktische Leistungsfähigkeit des Reglers einschränken. Häufig werden auch für den Entwurf und die Optimierung von Reglern ausschließlich RMS-Werte der vertikaldynamischen Zielgrößen betrachtet. Die Anforderungen an das fahrdynamische Verhalten von PKW sind jedoch sehr komplex und oft nicht objektiv messbar, so dass die Anpassungsmöglichkeiten des Reglers für ein gewünschtes Fahrverhalten wichtige Kriterien für die Anwendung in der Industrie sind. Vor allem wenn wie im vorliegenden Fall nur das vertikaldynamische Verhalten eines Viertelfahrzeugs betrachtet und geregelt wird, so muss ein ausreichendes Reglerverständnis und transparente Applikationsmöglichkeiten gegeben sein um das Verhalten des Gesamtfahrzeugs, z. B. hinsichtlich Wankverhalten, Kopieren, Eigenlenkverhalten oder Spurwechselverhalten (siehe z.B. [10]), beeinflussen zu können. Heutige passive Fahrwerke sind das Ergebnis jahrzehntelanger Entwicklungserfahrung. Durch nichtlineare Kennlinien der Feder- und Dämpferelemente wird versucht, den Zielkonflikt zwischen Einhaltung des maximalen Federwegs, Reduzierung der Radlastschwankungen und Minimierung der auf den Fahrer wirkenden Beschleunigungen zu verringern.

Das größte Potential aktiver Fahrwerkskomponenten gegenüber passiven Radaufhängungen liegt in der Möglichkeit der Adaption an aktuelle Fahrzustände, wie den Fahrbahnzustand, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Zuladung oder die quer-, längs- und vertikaldynamische Fahrsituation. Zielkonflikte können durch Adaption nicht aufgehoben werden, aber es muss kein allgemeingültiger Kompromiss für alle Fahrzustände und Situationen getroffen werden, sondern das Augenmerk kann je nach Situation auf eine andere Zielgröße gelenkt werden. Verstelldämpfersysteme nutzen diese Möglichkeit der Adaption, um den Zielkonflikt zwischen Fahrkomfort und Fahrsicherheit zu entschärfen. Die reine Veränderung des Dämpfungsmaßes bietet dabei jedoch nur ein schmales Band der Adaption (vgl. Abb. 3.1). Die Veränderung der Dämpfungskonstante bei fester Federsteifigkeit, wie es ein semiaktives System erlaubt, gibt nur eine geringe Möglichkeit der Adaption zwischen Komfort und Fahrsicherheit [25]. Die Variationsmöglichkeit, die sich durch eine zusätzliche Änderung der Federsteifigkeit ergibt, zeigt ein weitaus größeres Potential. Nur ein vollaktives System kann die nötigen Kräfte erzeugen und damit einen Regler ermöglichen, der das Verhalten eines in Federsteifigkeit und Dämpfung variablen passsiven Fahrwerks nachbildet. In die Applikation eines solchen Reglers kann dann die Erfahrung in der Entwicklung passiver Fahrwerke einfließen. Dabei könnten die Kennlinien der nachgebildeten Feder- und Dämpferelementen auch physikalisch nicht realisierbare Verläufe zeigen und so weiteres Potential eröffnen. Für die Nachbildung der passiven Fahrwerke werden keine beobachteten Größen benötigt. Die Messung von Einfederweg und Einfedergeschwindigkeit ist für die direkte Berechnung der Stellkraft F(t) ausreichend. Es soll also ein transparentes, einfach applizierbares Reglerkonzept entstehen, dass das maximale Potential eines variabel passiven Viertelfahrzeugs erschließt.

Im Verlauf dieser Arbeit wird in Kapitel 2 zunächst auf die Nichtlinearitäten eines passiven Viertelfahrzeugs eingegangen. Daraus entstehende Probleme beim Reglerentwurf am linearisierten System und Lösungsmöglichkeiten mittels Störgrößenaufschaltung werden aufgezeigt. Im Anschluss wird in Kapitel 3 das Konzept des nichtlinearen Referenzreglers entworfen und die Adaptionslogik sowie deren Parameterierung hergeleitet. In Kapitel 4 folgen Betrachtungen zur Stabilität, so dass in Kapitel 5 die Leistungsfähigkeit des Regelungskonzepts unter den hergeleiteten Schaltbeschränkungen überprüft werden kann. Die bei Einzelhindernissen gegenüber konventionellen Fahrwerken auftretenden Nachteile des Regelkonzepts werden analysiert und die Reaktion auf Einzelhindernisse mittels eines optimalen Steuerungsentwurfs verbessert. Danach folgt die Anwendung des Reglerentwurfs auf ein langsam aktives System mit Federfußpunktverstellung und Verstelldämpfer und die Validierung der Simulationsergebnisse an einem Viertelfahrzeugprüfstand. Zuletzt wird in Kapitel 6 das Potential einer modellgestützen Aufschaltung von Informationen über die Straßenanregung geprüft. Nach einer Zusammenfassung der Ergebnisse in Kapitel 7 werden im Ausblick neue Ansätze der Regelstruktur angeregt auf deren Grundlage die Leistungsfähigkeit der vorgestellten adaptiven Reglerstruktur weiter gesteigert werden kann.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 2.4, Zielgrößen und Ziele der Regelung:

Wie bereits in der Einleitung erörtert, ergibt die Betrachtung des vertikaldynamischen Verhaltens eines Viertelfahrzeugs zwei wichtige Zielgrößen und eine Zustandsgrößenbeschränkung. Die dynamische Radlast Fdyn und die Aufbaubeschleunigung zc gelten als Maß für Fahrsicherheit und Komfort. Die Einhaltung des verfügbaren Federweg durch das Rad kommt als wichtiges absolutes Ziel hinzu. Oft werden als Maßstab für die Güte verschiedener Fahrwerke die RMS-Werte von dynamischer Radlast, Aufbaubeschleunigung und Federweg bei definierten (Straßen-)Anregungen miteinander verglichen.

Dabei bildet der RMS-Wert des Federwegs nur eine ungenaue Betrachtung der zugrunde liegenden Beschränkung. In der Realität ist ausschließlich die Einhaltung des maximal zur Verfügung stehenden Federwegs, also zcw kleiner FWmax entscheidend. In dieser Arbeit wird daher der RMS-Wert des Federwegs nur indirekt als Maß für die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer kritischen Einfederung (zcw ungefähr FWmax) herangezogen. Es gilt auch zu überlegen, dass ein vollständiges Ausfedern des Rades im Gegensatz zum Fall des Einfederns nicht verhindert werden muss. Je weiter das Rad ausfedern kann, desto später verliert es den Bodenkontakt. Beim Erreichen der maximalen Ausfederung treten bei weitem nicht so große Kräfte auf, wie bei einem Erreichen der maximalen Einfederung, denn im Falle der Einfederung muss der gesamte Relativimpuls der Aufbaumasse abgefangen werden, bei Erreichen der Ausfederung muss nur der Kraftstoß durch den Relativimpuls der ungefederten Masse aufgefangen werden. Das Erreichen der Ausfedergrenz muss deshalb zwar abgedämpft werden, im Vergleich zum Einfedern stellt es jedoch einen weniger kritischen Zustand dar.

Für die Fahrsicherheit ist die dynamische Radlast von Bedeutung, dabei stellt, genau betrachtet, nur eine Entlastung des Rades, also nach 2.6 eine negative dynamische Radlast, ein akutes Problem dar. Durch die verringerte Radlast kann das Rad weniger Längs- bzw. Seitenkräfte übertragen, was zu kritischen Fahrsituationen führen kann. Eine Vergößerung der Radlast führt zu einer Erhöhung der aktuell übertragbaren Kräfte und wird deshalb für die Bestimmung der Güte der Fahrsicherheit vernachlässigt. Da jedoch für ausreichend lange Zeiten für das zeitliche arithmetische Mittel der dyn. Radlast gelten muss, hat also jeder positive Radlastimpuls eine äquivalente Radentlastung zur Folge. Die Betrachtung des RMS-Wertes der dynamischen Radlast ist also ausreichend und zielführend. Neben dem RMS-Wert spielen jedoch die absoluten Spitzenwerte der dynamischen Radlast eine Rolle. Stark ausgeprägte Radlastschwankungen, bis zur vollständigen Entlastung des Rades, sind kritischer als etwa dauerhafte Schwankungen niedriger Intensität. In dieser Arbeit werden deshalb über den RMS-Wert hinaus vor allem die Maximalwerte der dyn. Radlast betrachtet und als Ziel sowie Gütemaß für die Bewertung des Regelkonzepts verwendet.

Die Aufbaubeschleunigung des Fahrzeugs wird als Maß für die auf den Fahrer wirkenden Beschleunigungen verwendet. Die Beschleunigungen spielen die entscheidende Rolle für das Komfortempfinden der Fahrzeuginsassen, da sie über das Newton’sche Gesetz in direktem Zusammenhang mit den auf die Insassen wirkenden Kräfte stehen. Der RMS-Wert der Aufbaubeschleunigung darf jedoch nicht blind als Komfortmaß verwendet werden. Der Fahrer hat durch den Blick auf die Straße, und damit verbunden einer gewissen Kenntnis über den Straßenzustand, eine Erwartungshaltung an den Schwingungskomfort. Bei einer Fahrt über die Autobahn etwa erwartet der Fahrer niedrige Aufbaubeschleunigungen und wenig Beschleunigungsspitzen. Bei einer Fahrt über eine schlechte Landstraße akzeptiert er sicherlich höhere Beschleunigungen, die im Bereich seiner Erwartungen liegen. Wird nun zum Beispiel eine Reglerauslegung mittels Optimierung der Gesamtgütemaße bei verschiedenen Anregungsprofilen entworfen, so wird dieser Tatsache nicht Rechnung getragen. Eine Erhöhung des RMS-Wertes um 50%, von 1 auf 1.5 m/s2, bei schwacher Anregung, kann im Gesamtgütemaß leicht durch die Verringerung des RMS-Wertes bei starken Anregungen um 17% von 3 auf 2.5 m/s2 kompensiert werden. Ob diese Reglerauslegung in der Realität zielführend ist, ist fraglich.

Am bedeutendsten für die Bewertung der auftretenden Beschleunigungen ist das frequenzabhängige Schwingungsempfinden des Menschen. Umfangreiche Forschungsergebnisse und Empfehlungen dazu bietet die VDI-Richtlinie 2057. Versuche haben gezeigt, dass das Komfortempfinden bei Schwingungen stark von der Frequenz abhängig ist. Die Wirkung von vertikalen Schwingungen unterschiedlicher Frequenz kann demnach über das Filter in Abbildung 2.10 angenähert werden. Wie man sieht, ist der Mensch für vertikale Schwingungen im Bereich zwischen 4 und 10 Hertz aufgrund der Eigenfrequenzen von Körperteilen und Organen besonders empfindlich. Unterhalb von 0.8 Hertz nimmt die Wahrnehmung der auftretenden Beschleunigungen stark ab. Schwingungen unterhalb von 0.8 Hertz sollten dennoch gering gehalten werden, denn hier tritt das Phänomen der Reisekrankheit (motion sickness) auf. Die langsamen Bewegungen bei Schwingungen niedriger Eigenfrequenz werden über das Auge nicht mehr ausreichend wahrgenommen und es tritt eine Diskrepanz zur Wahrnehmung über das Gleichgewichtsorgan im Ohr auf. Dies kann Übelkeit und andere Symptome der Reisekrankheit auslösen.