Fahrwerksregelung basierend auf kontinuierlichen und digitalen elektrorheologischen Dämpfern

Abstract

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines semi-aktiven Fahrwerksregelungssystems basierend auf elektrorheologischen (ER) Dämpfern. Integraler Bestandteil eines ER Dämpfers ist die ER Flüssigkeit. ER Flüssigkeiten haben die spezielle Eigenschaft, dass sich deren scheinbare Viskosität durch Aufprägen eines elektrischen Feldes hochdynamisch und reversibel einstellen lässt und eignen sind damit speziell für den Einsatz in hochwertigen Verstelldämpfern. Das Fahrwerksregelungssystem wird in Hinblick auf einen Serieneinsatz auf dessen Wirtschaftlichkeit hin untersucht. Die betrachteten Möglichkeiten zur Kostenreduktion, welche gleichzeitig die Schwerpunkte dieser Arbeit darstellen, liegen bei der veränderten Ansteuerung der ER Ventile des ER Dämpfers und bei einer Verringerung der Anzahl und Güte der eingesetzten Sensoren. Im ersten Teil der Arbeit wird ein mathematisches Modell des betrachteten ER Einrohr- und ER Zweirohrdämpfers erstellt und das Modell des ER Einrohrdämpfers anhand von Dämpferprüfstandsmessungen validiert.<br />Im zweiten Teil wird auf Basis des validierten Modells des ER Einrohrdämpfers gezeigt, dass eine kontinuierliche Ansteuerung der ER Ventile mittels eines teuren linearen Hochspannungsverstärkers umgangen werden kann, wenn anstatt der kontinuierlich angesteuerten ER Ventile digital angesteuerte ER Ventile eingesetzt werden, dessen Teilventile über Schalter von einer einzigen im Fahrzeug vorhandenen konstanten Hochspannungsquelle angesteuert werden. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich einerseits der Verringerung der Sensoranzahl des betrachteten Fahrwerksregelungssystems durch die Verwendung geeigneter Beobachterstrategien und beurteilt andererseits die Auswirkung einer niedrigen Sensorqualität auf die Beobachter- und Regelgüte.<br />

The thesis deals with the development of a semi-active suspension system based on electrorheological (ER) dampers. The most important component of an ER damper is the ER fluid. ER fluids exhibit a rapid and reversible increase in the apparent viscosity when exposed to an electric field and are therefore well suited for their application in automotive dampers. With regard to a mass production, the semi-active suspension system will be analyzed for its cost effectiveness. The examined possibilities for a cost reduction, which at the same time are the key aspects of this work, are a modified control of the ER valves in the ER damper as well as a reduced number and quality of the employed sensors. In the first part of the work, a mathematical model of the considered monotube and twintube ER damper is derived. The model of the monotube ER damper is validated by means of measurements on a damper test stand. In the second part, based on the validated model of the monotube ER damper, it is shown that the expensive linear high voltage amplifiers required to control the ER valves can be avoided, if the continuously controlled ER valves are replaced by digital ER valves. The properly designed segments of the ER valve are controlled via switches connected to a single constant high voltage source in the vehicle. The third part is dedicated to the reduction of the number of sensors of the suspension system by means of adequate observer strategies and it deals with the effect of a low sensor quality on the estimation accuracy of the observer and the overall control performance.