Aktive und semiaktive Regelungskonzepte zur Entkopplung von Hub- und Nickbewegungen eines Kraftfahrzeugs

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entkopplung von Hub- und Nickbewegungen eines Kraftfahrzeugs durch eine aktive und semiaktive Fahrwerksregelung. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Komplexität der Modelle und der darauf basierenden Regelungskonzepte gelegt. Als Fahrzeugmodelle kommen das Viertelfahrzeug- und das Halbfahrzeugmodell zum Einsatz. Fahrbahnunregelmäßigkeiten, diese wirken als Störungen auf das Fahrzeugmodell ein, stellen Einzelhindernisse und die stochastische Fahrbahnanregung dar. Das dem Regler zugrunde liegende Modell muss nicht zwingenderweise für die Simulation verwendet werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, einerseits zwei unabhängige Viertelfahrzeugregler, basierend auf dem Viertelfahrzeugmodell an der Vorder- und Hinterachse, andererseits einen Halbfahrzeugregler, der beide Achsen in Abhängigkeit zueinander regelt, auf ein und dasselbe Halbfahrzeug als Simulationsmodell anzuwenden. Die Auslegung der Viertel- und Halbfahrzeugregler erfolgt durch Lösen der stationären algebraischen Riccatigleichung, die ihrerseits auf einer quadratischen Kostenfunktion, in der jede Zustandsgröße einzeln bewertet werden kann, basiert (LQ-Regelung). In einem weiteren Schritt wird die Möglichkeit der vorausschauenden Regelung der Hinterachse durch die, mit einem Beobachter an der Vorderachse geschätzten, Fahrbahnunebenheiten vorgestellt. Als semiaktive Regelungskonzepte werden einerseits die Skyhook-Regelung und ihre Abwandlungen als Groundhook- und Hybride-Dämpfung verwendet, anderseits die semiaktive LQ-Regelung als semiaktives Pendant zum aktiven LQ-Regler. Zur Beurteilung der Regelungsgüte werden die resultierenden Nick- und Hubbeschleunigungen (Fahrkomfort), Radeinfederwege und bezogenen Radlastschwankungen (Fahrsicherheit) herangezogen. Bei der Störung durch Einzelhindernisse dienen die zeitlichen Verläufe der Hub- und Nickbewegungen zur qualitativen Bewertung, die maximal auftretenden Amplituden werden als quantitatives Maß der Verbesserung verwendet. Die Modellgültigkeit wird durch die Bedingung: "Kein Abheben des Rades" sichergestellt. Im Falle der stochastischen Fahrbahnanregung erfolgt die Beurteilung einerseits durch die Effektivwerte (rms-value) der Beschleunigungen und des Radeinfederwege, andererseits durch die bezogenen Radlastschwankungen.

This thesis deals with the decoupling of heave- and pitch-motions of a vehicle controlled by an active- and semi-active wheel suspension system. The focus is on the model complexity as well as on the respective controller concepts. Applied vehicle models are the quarter-car and the half-car model. Road irregularities, they act as disturbances on the vehicle model, are single bumps and random road profiles. The vehicle models used for controller design must not necessarily be the same as used for simulations. This results in the possibility to use two independent quarter-car-based controllers at the front and the rear axle, as well as one half-car-based controller, which has the ability to operate depending on both axle motions. Thus, both controllers can be used for simulations on the same half-car model. Quarter- and half-car controller designs are based on linear optimal control (LQR). Therefore, a performance index consisting of separate weighted states is needed to obtain the optimal gains by solving the stationary algebraic Riccati equation. Next, the possibility is shown to apply a preview based active suspension controller on the rear axle, whose preview information is generated by the reconstruction of the road surface at the front wheels. Presented controller concepts, based on semi-active suspension systems are the skyhook control and possible variations as groundhook and hybrid control, as well as the optimal semi-active clipped control derived from the active controllers of the quarter- and half-car. Criteria to evaluate the controller performances are heave- and pitch-accelerations (ride comfort), suspension deflection (rattle space) and dynamic wheel loads (road holding). In case of single bumps, time based plots showing the heave- and pitch-motions and the values of maximum acceleration amplitudes are used for evaluation. Validity of the applied system model is ensured by the condition: "No lift-off the wheels". In case of random road profiles, rms-values of acceleration, suspension deflection and dynamic wheel loads are used for evaluation.