Aufgabe der Fahrwerksentwicklung ist es den Zielkonflikt zwischen Fahrkomfort, Fahrsicherheit und Einhaltung des Federwegs bestmöglich aufzulösen. Die Fahrzeugeigenschaften hinsichtlich Fahrkomfort und Fahrsicherheit (Sportlichkeit) stellen ein wichtiges Differenzierungsmerkmal im Fahrzeugbau dar und sind Gegenstand ständiger Weiterentwicklung. Passive Komponenten werden dabei immer mehr durch aktive Fahrwerkssysteme ersetzt. Die Umsetzung vieler moderner Regelungskonzepte für aktive Fahrwerkssysteme scheitert jedoch an den fahrzeugtechnischen Randbedingungen. Ziel des in dieser Studie entwickelten vertikaldynamischen Regelungskonzepts ist daher eine transparente und implementierbare Reglerstruktur, welche das Potential aktiver Aktuatorik unter Berücksichtigung fahrzeugtechnischer Randbedingungen bestmöglich ausnutzt. Grundlage des Regelungskonzepts ist ein Referenzmodell, welches das dynamische Verhalten eines Fahrwerks mit variabler Federsteifigkeit und Dämpfung abbildet. Dadurch ergibt sich gegenüber einem reinen Verstelldämpfersystem ein deutlich erhöhter Adaptionsspielraum zwischen Komfort, Fahrsicherheit und Einhaltung des Federwegs ohne sich vom bewährten grundlegenden Fahrverhalten passiver Fahrwerke zu entfernen. Neben dem Verzicht auf einen Beobachter und einer damit reduzierten Diskrepanz zwischen theoretischer und praktischer Leistungsfähigkeit, konnte auch eine transparente Parametrierbarkeit für die effiziente Applikation im Fahrzeug erreicht werden. Um seine Umsetzbarkeit und praktische Leistungsfähigkeit zu überprüfen, ist das Konzept an einem aktiven Fahrwerk an einem Viertelfahrzeugprüfstand untersucht und validiert worden. Bei der anschließenden Umsetzung auf eine neuartige hybride Kombination aus Serienaktuatoren konnte, ohne signifikante Einbußen bei der Leistungsfähigkeit, eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs erreicht werden. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Regelungskonzept kann der bei der Fahrwerksabstimmung vorhandene Zielkonflikt zwischen Fahrsicherheit und Fahrkomfort deutlich entschärft werden. Bei der Entwicklung des Regelungskonzepts wurde besonderer Wert auf die Einhaltung der fahrzeugtechnischen Randbedingungen gelegt. Die praktische Anwendbarkeit wurde sowohl durch Messungen am Prüfstand als auch durch die erfolgreiche Übertragung auf eine neuartige Kombination bestehender Fahrwerkskomponenten bewiesen. Durch die Umsetzung auf das hybride Fahrwerk konnte zusätzlich eine deutliche Reduktion des Energieverbrauchs erzielt werden.

Textprobe: Kapitel 3, Referenzmodellbasierter Reglerentwurf: Der Entscheidung, das Regelkonzept auf die Referenz passiver Fahrwerke zu gründen, liegen mehrere Überlegungen zugrunde. Zum einen soll auf die Rückführung aller Zustände des Systems verzichtet werden, dadurch soll die Diskrepanz zwischen theoretischer und praktischer Leistungsfähigkeit des Reglerentwurfs verringert werden. Da die Messung aller Zustände weder wirtschaftlich (z.B. Radlastmessung) noch vollständig möglich ist (z.B. absolute Geschwindigkeiten), müssen nicht verfügbare Größen über Zustandsschätzer ermittelt werden. Dabei werden in aktuellen Forschungsergebnissen [8, 16, 35] über Zustandsbeobachter, je nach Zustandsgröße, Schätzgüten zwischen 0.9, etwa für die Aufbaugeschwindigkeit, und 0.7 für die dynamische Radlast erreicht. Diese Fehler bei der Beobachtung der Zustände führen damit zu einer bedeutenden Abweichung der theoretischen Reglerleistung von der praktisch erzielbaren. Verwendet man die unbestätigte Annahme, dass die Regelgüte direkt proportional mit der Schätzgüte der Signale korreliert, so müsste der Regler eine um 11 bis 43 % bessere Leistungsfähigkeit (gegenüber einem rein mit gemessenen Signalen arbeitenden Regler) besitzen, um die Schätzfehler zu kompensieren. Von den vielen modernen Reglerstrukturen, die in der Forschung entwickelt wurden, konnten sich noch keine in der Praxis durchsetzen, in der Industrie werden weitesgehend, PI(D)-Regler und Skyhook-basierte Ansätze angewandt. Ein Grund hierfür sind die zahlreichen technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen im Fahrzeugbau (siehe Kapitel 7), die beim Reglerentwurf nur selten vollständig berücksichtigt werden. Die Wahl einer passiven Basis für das Referenzmodell soll eine bewährte Grundlage für die Erfüllung der Randbedingungen bieten. 6.2, Technische Randbedingungen: Die vorgestellte Störgrößenaufschaltung benötigt Informationen über die vertikale Beschleunigung der Straßenoberfläche, dabei soll, anders als für bisherige vorausschauende Abtastungen der Straße, die Messung nicht vor dem Fahrzeug, sondern unter dem Fahreug in ausreichender Entfernung vor dem Radaufstandspunkt erfolgen. Die Messung der Straßenbeschleunigung soll durch Differenzieren eines Entfernungsmesssignals zwischen Aufbau und Straße, etwa durch ein Laser-Entfernungsmessgerät, erreicht werden. Bereits handelsübliche Geräte erreichen eine Messgenauigkeit von +/-1 mm bei den gegebenen Entfernungen von einigen Dezimetern. Ein Problem herkömmlicher ‘vorausschauender’ Abtastungen ist die Schätzung von Aufbaugeschwindigkeit und -position, mit der diese Eigenbewegung der Sensorik aus dem Messignal eliminiert werden kann und damit den korrekten Verlauf von Straßengeschwindigkeit und -position zu berechnen. Des Weiteren sind diese Systeme hinter jeder Straßenerhebung aufgrund des flachen Strahlwinkels für eine gewisse Strecke blind. Die letztgenannte Problematik entfällt bei der Messung unter dem Fahrzeug aufgrund der Tatsache, dass vom Aufbau direkt nach unten gerichtet abgetastet werden soll. Das erste Problem erübrigt sich, da weder Geschwindigkeit noch Position der Straße von Bedeutung für die Störgrößenaufschaltung nach Abschnitt 6.1 sind. Das heißt, die Aufbaubewegungen müssen nicht geschätzt werden, es reicht ein Beschleunigungssensor, der am Entfernungsmessgerät angebracht wird um die durch Aufbaubewegungen gemessenen Beschleunigungen aus dem abgeleiteten Entfernungssignal zu subtrahieren. Eventuelle Fehler der Beschleunigungsmessung beispielsweise durch die Abtastung eines nachgebenden Hindernisses, wie etwa eines leeren Schuhkartons, werden durch das bestehende referenzmodellbasierte Regelungskonzept problemlos ausgeregelt. Es wäre in solch einem Einzelfall also lediglich ein eventueller Diskomfort verbunden mit kurzzeitigen Radlastschwankungen spürbar. Eine Butterworth-Filterung erster Ordnung erzeugt bei der Eckfrequenz einen Phasenverzug von 45 Grad. Für die Radeigenfrequenz von 12.5 Hz ergibt dies einen Verzug von etwa 10 ms. Nimmt man ein Fahrgeschwindigkeit von 130 km/h an, so muss das Signal um die Strecke delta x = 130/3.6 multipliziert mit 0.01 m = 0.36 m vor dem Reifenlatsch gemessen werden, bei einer Filterung zweiter Ordnung um delta x = 0.72 m. Oberklasse-Pkw besitzen in etwa 1 m Länge zwischen Vorderachse und vorderstem Fahrzeugpunkt. Die Realisiserung einer Messung der Straßenbeschleunigung mit ausreichender Zeit für die notwendige Filterung wäre also technisch möglich.

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