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Forschung im Ingenieurwesen

, Volume 82, Issue 3, pp 171–185 | Cite as

Aktive Luftfederung – Modellierung, Regelung und Hardware-in-the-Loop-Experimente

  • E. Lenz
  • P. HedrichEmail author
  • P. F. Pelz
Originalarbeiten/Originals

Zusammenfassung

Es wird davon ausgegangen, dass autonomes Fahren die Schlüsseltechnologie für unser zukünftiges Verkehrssystem ist. Studien haben jedoch gezeigt, dass das Auftreten von Kinetose, d. h. Bewegungskrankheit, beim autonomen Fahren deutlich höher ist als bei herkömmlichen Fahrzeugen. Da insbesondere vertikaldynamische Schwingungen (Huben) im Frequenzbereich von 0,1 Hz bis ca. 1 Hz als besonders störend empfunden werden, können aktive Feder-Dämpfer-Systeme Abhilfe schaffen. Die am Institut für Fluidsystemtechnik der TU Darmstadt entwickelte aktive Luftfeder kombiniert die Vorteile der Luftfeder, die sich aufgrund der Trennung der Funktionen „Last tragen“ und „Energie speichern“ ergeben, wie beispielsweise die Möglichkeit einer Niveauregulierung, mit denen eines aktiven Systems. Die aktive Kraftstellung erfolgt durch eine Verstellung der tragenden (druckeffektiven) Fläche der Luftfeder im Betrieb mit einer Stellfrequenz von über 5 Hz. Realisiert wird dies über eine Verstellung des Luftfederabrollkolbendurchmessers mit vier radial verstellbaren Segmenten. Hierfür wurde ein kompakter hydraulischer Linearaktor entwickelt, der in den Luftfederabrollkolben integriert ist.

In diesem Beitrag wird zunächst das Konzept der aktiven Luftfeder beschrieben und der Funktionsprototyp vorgestellt. Danach wird auf die allgemeine optimale vertikaldynamische Auslegung eines aktiven Systems am Beispiel eines Viertelfahrzeug-Modells eingegangen und Einflüsse einzelner Systemgrößen wie Stellkraft und Stellfrequenz diskutiert. Im nächsten Schritt wird eine einfache Modellbildung des Gesamtsystems im Hinblick auf den \(\text{H}_{2}\)-optimalen Reglerentwurf durchgeführt und die Eignung des Aktorkonzepts zum Einsatz in einem aktiven Fahrwerk sowie die Robustheit des Reglers exemplarisch gezeigt. Um das System optimal zur Minderung von Schwingungen, die Kinetose verursachen und den Fahrkomfort verschlechtern, abzustimmen, werden frequenz-spezifische Bewertungsfilter gemäß der VDI-Richtline 2057 bei der Regelerauslegung eingesetzt. Abschließend wird die Funktionsfähigkeit der aktiven Luftfeder in Hardware-in-the-Loop-Experimenten, bei denen der Funktionsprototyp in einer Echtzeitsimulationsumgebung mit einem virtuellen Viertelfahrzeug gekoppelt wird, gezeigt.

Abkürzungen

\(A_{\text{T}}\)

Gesamttragfläche

\(A_{\text{T1}}\)

Tragfläche T2

\(A_{\text{T2}}\)

Tragfläche T1

\(F\)

Axialkraft

\(F_{\text{R}}\)

Radlast

\(F_{\text{R,0}}\)

Stationäre Radlast am Arbeitspunkt

\(F_{\text{S,TP}}\)

Formfilter von \(n\) auf Straßenanregung \(z_{\text{S}}\), \(\dot{z}_{\text{S}}\) und \(\ddot{z}_{\text{S}}\)

\(\Delta F_{\text{Akt}}\)

Aktoristkraft

\(\alpha_{\text{f}}\)

Gewichtungsfaktor „Kinetose“ bei frequenzabhängiger Gewichtung

\(\alpha_{\text{F}}\)

Gewichtungsfaktor Radlastschwankungen

\(\sigma_{\text{x}}\)

Standardabweichung des Signals „\(x\)

\(c_{\text{A}}\)

Steifigkeit Federung

\(c_{\text{R}}\)

Radsteifigkeit

\(d_{\text{A}}\)

Viskose Aufbaudämpfung

\(d_{\text{R}}\)

Raddämpfung

\(k_{\text{x}}\)

Verstärkungsfaktor der statischen Rückführung des Signals „\(x\)“ auf \(u_{\text{Akt}}\)

\(m_{\text{A}}\)

Aufbaumasse

\(m_{\text{R}}\)

Radmasse

\(n\)

Normiertes weißes Rauschen (Bewertungseingang)

\(p_{\text{LF}}\)

Stat. Druck

\(r_{\text{A1}}\)

Außenradius A1

\(r_{\text{A2}}\)

Außenradius A2

\(r_{\text{K1}}\)

Abrollkolbenradius K1

\(r_{\text{K2}}\)

Abrollkolbenradius K2

\(u_{\text{Akt}}\)

Stellgröße (Aktorsollkraft)

\(V_{0}\)

Luftfedervolumen

\(z\)

Aufbauauslenkung

\(z_{\text{A}}\)

Radauslenkung

\(z_{\text{R}}\)

Einfederung (\(z=z_{\text{R}}-z_{\text{A}}\))

\(z_{\text{S}}\)

Straßenauslenkung

\(z_{\text{max}}\)

Maximaler Federweg

Active Pneumatic Suspension – Modeling, Control and Hardware-in-the-Loop Simulations

Abstract

It is assumed that autonomous driving is the key technology for our future transportation system. However, studies have shown that the incidence of kinetosis, i. e. motion sickness, is significantly higher in autonomous driving cars than in conventional vehicles. Since especially vertical dynamic oscillations (heave) in the frequency range from 0.1 Hz to approx. 1 Hz are perceived as particularly disturbing, active spring-damper systems can provide a remedy. The active air spring, which we develop at the Institute for Fluid Systems at TU Darmstadt, is such a system. It combines the advantages of an air spring (level control, load independent body natural frequency, etc.), which result from the separation of the functions “load carrying” and “energy storing”, with those of an active system. The actuating force is generated by adjusting the load-carrying (pressure-effective) area of the air spring during operation with an edge frequency of more than 5 Hz. This is realized by adjusting the air spring rolling piston diameter with four radially adjustable segments. For this purpose, a compact hydraulic linear actuator was developed which is integrated into the air spring piston.

In this article, we describe the concept of the active air spring and introduce the functional prototype. Thereafter, the general optimal vertical dynamic design of an active system is discussed using the example of a quarter car model and the influence of system variables such as actuating force and actuating frequency is addressed. In the next step, a simple modeling of the overall system is carried out with regard to the \(\text{H}_{2}\)-optimal controller design and the suitability of the actuator concept for use in an active chassis as well as the robustness of the controller is shown exemplarily. In order to optimally tune the system to reduce oscillations that cause kinetosis and decrease driving comfort, frequency-specific weighting filters in accordance with VDI Guideline 2057 are used for the control design. Finally, the functional performance of the active air spring is demonstrated in hardware-in-the-loop experiments in which the functional prototype is coupled with a virtual quarter vehicle in a real-time simulation environment.

Notes

Danksagung

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Finanzierung dieser Forschung im Sonderforschungsbereich (SFB) 805 „Beherrschung von Unsicherheit in lasttragenden Systemen des Maschinenbaus“ (TU Darmstadt, Sprecher Prof. Dr.-Ing. Peter F. Pelz) und dem Projektpartner Vibracoustic.

Literatur

  1. 1.
    Batterbee DC et al (2005) Hardware-in-the-loop simulation of a vibration isolator incorporating magnetorheological fluid damping. ECCOMAS Thematic Conference on Smart Structures and Materials.Google Scholar
  2. 2.
    Bedarff T, Pelz PF (2011) Entwicklung und Untersuchung eines innovativen, aktiven Federungssystems. VDI Berichte 2138, S 283–294Google Scholar
  3. 3.
    Ersoy M, Gies S (2017) Fahrwerkhandbuch: Grundlagen – Fahrdynamik – Fahrverhalten– Komponenten – Elektronische Systeme – Fahrerassistenz – Autonomes Fahren– Perspektiven. Springer, WiesbadenCrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Hedrich P, Brötz N, Lenz E, Pelz PF (2018) Active pneumatic suspension for future autonomous vehicles: design, prove of concept and hardware-in-the-loop simulations. 11th International Fluid Power Conference, vol. 3, S 352–365Google Scholar
  5. 5.
    Hedrich P, Johe M, Pelz PF (2016) Design and realization of an adjustable fluid powered piston for an active air spring. 10th IFK, Dresden, S 571–582Google Scholar
  6. 6.
    Hedrich P, Johe M, Pelz PF (2017) Patent DE102015120011A1Google Scholar
  7. 7.
    Hedrich P, Lenz E, Pelz PF (2017) Modellbildung, Regelung und experimentelle Untersuchung einer aktiven Luftfederung in einer Hardware-in-the-Loop-Simulationsumgebung. VDI Berichte 2295, S 447–460Google Scholar
  8. 8.
    Heinrichs D (2015) Autonomes Fahren und Stadtstruktur. Springer, Berlin, Heidelberg, S 219–239CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Mitschke M, Wallentowitz H (2014) Dynamik der Kraftfahrzeuge. Springer Vieweg, WiesbadenCrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    Pelz PF, Mess M (2007) Luftfederung und Luftdämpfung im Spannungsfeld Komfort, Dynamik und Sicherheit. ATZ 109(3):230–237Google Scholar
  11. 11.
    Pelz PF, Sonnenburg R (2004) Bestimmung komfortoptimaler Designparameter eines Luft-Feder-Dämpfers im Fahrzeugmodell. VDI Berichte 1846, S 527–542Google Scholar
  12. 12.
    Peterson JT (2010) Patent EP2230108A2Google Scholar
  13. 13.
    Puff, M.: Entwicklung von Regelstrategien für Luftfederdämpfer zur Optimierung der Fahrdynamik unter Beachtung von Sicherheit und Komfort. Ph.D. thesis, TU Darmstadt (2011)Google Scholar
  14. 14.
    Schindler, A.: Neue Konzeption und erstmalige Realisierung eines aktiven Fahrwerks mit Preview-Strategie. Ph.D. thesis, Universität Karlsruhe (2009)Google Scholar
  15. 15.
    Sivak M, Schoettle B (2015) Motion sickness in self-driving vehicles. Report. Transportation Research Institute, University of Michigan, Ann ArborGoogle Scholar
  16. 16.
    Streiter, R.H.: Entwicklung und Realisierung eines analytischen Regelkonzeptes für eine aktive Federung. Ph.D. thesis, Technische Universität Berlin (1996). D 83Google Scholar
  17. 17.
    VDI (2002) VDI-Richtlinie 2057: Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen – Blatt 1: Ganzkörper-Schwingungen. Beuth, BerlinGoogle Scholar
  18. 18.
    Winner H, Wachenfeld W (2015) Auswirkungen des autonomen Fahrens auf das Fahrzeugkonzept. Springer, Berlin, Heidelberg, S 265–285Google Scholar
  19. 19.
    Zhou K (1998) Essential of robust control. Prentice Hall, Upper Saddle RiverGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  1. 1.Fachgebiet Regelungstechnik und MechatronikTechnische Universität DarmstadtDarmstadtDeutschland
  2. 2.Institut für FluidsystemtechnikDarmstadtDeutschland

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