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

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

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.

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.

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Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7
Abb. 8
Abb. 9
Abb. 10
Abb. 11
Abb. 12
Abb. 13
Abb. 14

Abbreviations

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

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

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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.

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Lenz, E., Hedrich, P. & Pelz, P.F. Aktive Luftfederung – Modellierung, Regelung und Hardware-in-the-Loop-Experimente. Forsch Ingenieurwes 82, 171–185 (2018). https://doi.org/10.1007/s10010-018-0272-2

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