Kombinierte Betrachtung passiver und (semi-)aktiver Radaufhängungen mittels äquivalenter Fahrwerksparameter

Abstract

Den Ausgangspunkt einiger aktueller Regelstrategien für aktive und semi-aktive Fahrwerke bildet der Linear Quadratic Regulator mit linearer Zustandsrückführung. Bei entsprechender Wahl der Zustandsgrößen bewirkt dessen Regelgesetz eine Verstärkung von relativen Verschiebungen (feder-artig wirkende Verstärkung) sowie von relativen und absoluten Geschwindigkeiten (dämpfer-artig wirkende Verstärkung). Gemeinsam mit den Parametern der passiven Fahrwerksfedern und -dämpfer werden diese „spring-like“ und „damper-like gains“ zu äquivalenten Fahrwerksparametern zusammengefasst und als solche auf Basis ihrer Wirkungsweise interpretiert. Die (semi-)aktiven Regelkonzepte Skyhook Groundhook Hybrid sowie Extended Ground-Hook können als Abwandlungen von der vollständigen Zustandsrückführung aufgefasst werden erstere als Ausgangsrückführung, sodass nur „damper-like gains“ auftreten, letzteres in Form einer Erweiterung um eine Störgrößenaufschaltung und die entsprechenden Regelgesetze ebenso als Kombination von äquivalenten Fahrwerksparametern formuliert werden. Die systembedingten Eigenschaften dieser Konzepte hinsichtlich Fahrkomfort, Fahrsicherheit und Federwegbedarf werden auf diese Weise für ein Viertelund Halbfahrzeugmodell aus den Eigenschaften des LQ-geregelten Fahrwerks abgeleitet. Anhand des Viertelfahrzeugmodells werden die Betrachtungsweise der äquivalenten Fahrwerksparameter eingeführt sowie elementare Eigenschaften und Einschränkungen der Regelstrategien hinsichtlich gegensätzlicher Anforderungen an das Fahrwerk diskutiert. Symbolische Berechnungen entsprechender Pareto-optimaler Lösungen und frequenzselektive Betrachtungen auf Basis der relevanten Übertragungsfunktionen erlauben dazu eindeutige Aussagen. Die Untersuchungen auf Basis des Halbfahrzeugmodells konzentrieren sich auf Kopplungseffekte und auf geeignete Abstimmungen von Vorderund Hinterachse zueinander mit besonderem Fokus auf Fahrkomfort. Bei beiden Modellen wird deutlich, dass wesentliche Eigenschaften, die sich aus der umfassenden Erfahrung im praktischen Fahrversuch für die Abstimmung passiver Fahrwerke herauskristallisiert haben, auch für semi-aktive und aktive Fahrwerksregelungen vorteilhaft eingesetzt werden können.

Some contemporary control strategies for active and semi-active suspension systems originate from Linear-Quadratic optimal control theory and linear full-state-feedback concepts. In case of a respective selection of the model states, the LQ-optimal control law involves gains on relative displacements (spring-like gains) and gains on relative and absolute velocities (damper-like gains). These gains are merged with the parameters of passive suspension spring and damper and represent equivalent suspension parameters, which are further analysed based on their effects on the behaviour of the suspension system. The (semi-)active control strategies Skyhook Groundhook Hybrid as well as Extended Ground-Hook can basically be regarded as modifications of the full-state-feedback concept the former as output-feedback control, featuring only the damper-like gains, the latter as an extension by a disturbance feedforward control , and the respective control laws are equivalently formulated as a set of equivalent suspension parameters. Inherent characteristics of these control strategies regarding aspects of ride comfort, road holding and rattle space requirements are thus derived from the characteristics of LQ-controlled suspension systems of a quarter-car and a half-car vehicle model, respectively. By means of the quarter-car model, the concept of equivalent suspension parameters is introduced and fundamental properties and limitations of the control strategies are discussed with reference to the conflicting demands on the suspension systems. Symbolic calculations of respective Pareto-optimal solutions and frequency-selective analyses based on the relevant transfer function of the model allow some distinctive conclusions. Investigations based on the half-car model focus then on coupling effects of the front and rear axle as well as on frontrear coordinated setups of the suspension and control parameters with main emphasis on ride comfort. For both models it becomes obvious, that main features and findings, which build on the knowledge of tuning passive suspensions and rely especially on the broad experience from practical road tests, can be transferred and applied advantageously to active and semi-active suspension systems as well.