专利名称：确定本体特别是机动车辆的垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度的方法
技术领域：
本发明涉及确定本体的垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度的方法。本体可特别是机动车辆。本发明还涉及一种车轮悬架系统和一种机动车辆。
背景技术：
为了降低技术装备失效的倾向性，期望能够以尽可能少的部件数目来实施技术功能。例如，机动车辆，特别是机动车辆的悬架系统一般包括多个传感器。在多个传感器中， 存在用于测量机动车辆的垂直加速度的传感器、确定机动车辆的水平加速度的传感器和距离传感器。一般地，测量本体相对被附接至车轮的底盘部件的距离的四个传感器、确定机动车辆的垂直加速度的三个加速度计和确定机动车辆的水平加速度的至少两个加速度计被用于确定机动车辆的垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度。确定机动车辆的重心处的垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度在车辆性能的最优化控制方面，尤其是在控制半主动或主动减振器的参数方面特别重要。用于车轮悬架阻尼振动的系统的设计通常是两个方面的折衷，一方面是将车辆本体与由道路表面不平度产生的高频振动(次段行驶平顺性(secondary ride))隔离，另一方面是实现车辆本体的低频振动(主段行驶平顺性(primary ride))方面的高水平的驾驶舒适性。这意味着，一方面车辆本体必须与高频振动隔离，而另一方面由此保证了驾驶员对车辆的足够控制，从而驾驶员接收关于车辆状态和道路状况的反馈。半主动和主动减振器系统可提供与由道路表面不平度产生的高频振动良好的隔离同时保证驾驶员良好地控制车辆。此外，车辆本体可同时与道路表面不平度产生的低频隔1 °主动阻尼系统与被动阻尼系统相比较具有如下缺点其明显更复杂并且更加成本集约。与传统的被动阻尼器和车轮悬架系统相比，除了阻尼器和车轮悬架的硬件更为复杂外，还需要用于实施半主动和主动阻尼和车轮悬架系统的控制和规则算法的传感器。关于半主动和主动阻尼系统，车辆本体运动的动力学通常关于低频振动(主段行驶平顺性)被控制。在主动阻尼系统的情况下，这通过控制车辆本体和四个车轮之间的阻尼力来实现。阻尼力的改变通过使用连续可调的减振器而实现。为了估计特别是在主动阻尼系统的背景下的车辆本体的运动，通常使用紧固至车辆本体的三个加速度传感器。加速度传感器的测量数据被用于计算车辆本体相对于升高 (举起)加速度或垂直加速度、侧倾加速度或纵向角加速度和纵倾加速度或横向角加速度的加速度。此外，测量数据被整合以便确定对应的速度。额外地，测量了车辆的四角处的相应的弹簧元件的垂直偏转。
发明内容
本发明的第一目的是获得用于确定本体的垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度的有利方法。本发明的第二目的是获得有利的车轮悬架系统。本发明的第三目的是获得有利的机动车辆。所述第一目的通过用于确定如本发明所述的本体的垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度的方法而实现。所述第二目的通过如本发明所述的车轮悬架系统而实现。所述第三目的通过如本发明所述的机动车辆而实现。本发明其他部分的说明包括本发明的进一步的有利配置。根据本发明的用于确定本体的垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度的方法涉及具有纵向旋转轴线、横向旋转轴线、至少三个弹簧元件、至少三个减振器和至少三个高度传感器的本体。一个高度传感器在各个情况下被设置在相应的减振器区域中。所述方法的区别在于以下步骤首先，确定(例如测量或通过其它值确定)减振器的阻尼力、弹簧元件的弹簧力、 本体的重心、本体的质量、本体的转动惯量、相对于本体的重心的减振器位置、纵向旋转轴线的平均高度和横向旋转轴线的平均高度。然后，借助本体的质量、本体的转动惯量、相对于本体重心的减振器位置、纵向旋转轴线的平均高度、横向旋转轴线的平均高度、减振器的阻尼力和弹簧元件的弹簧力来确定垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度。纵向旋转轴线和横向旋转轴线可以特别是本体的想像的旋转轴线。本体可有利地是机动车辆。与以上说明的用于确定本体(特别是机动车辆)的重心处的速度和加速度的常规方法相比较，根据本发明的方法具有不需要以上提到的三个垂直加速度传感器的优点。以此方式，免除了三个传感器，借此降低了系统失效的倾向性同时保持了相同的功能。在机动车辆的情况下，垂直加速度还可以是举起加速度。在此情况下，纵向角加速度还可以是侧倾加速度，并且在此情况下横向角加速度还可以是纵倾加速度。此外，可有利地确定(例如测量或计算)本体的纵向加速度和本体的横向加速度。 这种确定可通过相应的定向加速度传感器的直接测量，或者通过存在的纵向和/或横向速度信号在时域中的微分的间接测量而被实施。然后，借助本体的质量、本体的转动惯量、相对于本体重心的减振器位置、纵向旋转轴线的平均高度和横向旋转轴线的平均高度、减振器的阻尼力、弹簧元件的弹簧力、本体的纵向加速度和本体的横向加速度来确定垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度。此外，可借助垂直加速度、纵向角加速度和横向角加速度来确定本体的垂直速度， 纵向角速度和横向角速度。这种确定可特别地通过积分实施。在机动车辆的情况下，垂直速度还可以是举起速度。在此情况下，纵向角速度还可以是侧倾速度，并且在此情况下，横向角速度还可以是纵倾加速度。此外，根据本发明的方法可被配置为这样一种方式测量弹簧元件的垂直偏转。可确定(例如测量或计算)减振器的阻尼电流。此外，例如通过垂直偏转信号在时域中的微分可确定弹簧元件的垂直偏转的速度。原则上，可计算或测量弹簧元件垂直偏转的速度。此外，可确定弹簧元件的弹簧系数和减振器的阻尼曲线。然后，可借助减振器的阻尼电流、弹簧元件的垂直偏转速度和减振器的阻尼曲线来确定减振器的阻尼力。可借助弹簧元件的垂直偏转的速度和弹簧元件的弹簧系数来确定弹簧元件的弹簧力。所述本体，特别是机动车辆有利地包括四个减振器和四个高度传感器。在本发明的背景下，高度传感器被理解为借助其可测量本体和底盘元件之间距离的距离传感器。各个高度传感器可被有利地设置在每个减振器的区域中。所述本体可以例如是包括多个车轮(有利的是四个车轮)和装备有减振器的至少一个车轮悬架系统的机动车辆。在此情况下，至少一个高度传感器可被设置在相应车轮的区域中。本发明方法的框架内的计算基于关于减振器和弹簧元件的特性、车辆的几何构型 (特别是轴距和轨距)、牛顿第二定律和逆质量矩阵(inverse mass matrix)的数据。输入信号例如是作为来自高度传感器的信号的弹簧元件的垂直偏转Zi和弹簧元件的垂直偏转速度Vzi，来自总线系统的每个减振器的实际阻尼电流(Im)和纵向线性加速度\以及横向线性加速度ay，其中总线系统特别是CAN总线(控制器局域网，同步串行总线系统)。首先，在车辆的各角处的力Fi可由减振器的阻尼力&和弹簧元件的弹簧力Fsi计笪弁。原则上，弹簧元件可被配置为被动式或主动式。在第一种情况下，各弹簧力Fsi可通过各弹簧元件的垂直偏转Zi和弹簧元件的弹簧系数Ci计算。在第二种情况下，弹簧系数是例如借助执行器或借助控制电流可调节的或可控的。在此情况下，各弹簧力Fsi可通过各弹簧元件的垂直偏转Zi和例如通过用于调节各弹簧元件的弹簧系数的控制电流而被计算。减振器的阻尼力&可通过当前阻尼电流Im、弹簧元件的垂直偏转速度Vzi和减振器的各自的阻尼曲线计算。原则上，减振器可被配置为被动减振器或主动减振器。在第一种情况中，阻尼力 ^和各弹簧元件的垂直偏转速度Vzi的依赖关系通过特征曲线确定。在第二种情况下，阻尼力 ^依赖于对应的弹簧元件的垂直偏转速度Vzi并且额外地依赖于对应的阻尼电流IDi，即依赖于控制阻尼器的主动值的电流。也就是说，阻尼力&与对应弹簧元件的垂直偏转速度Vzi的依赖关系通过依赖于对应阻尼电流Im的特征曲线而确定。阻尼力^li和弹簧力Fsi的和根据以下公式产生垂直作用在车辆的各角处的力Fi Fi = Fsi (zi; Ci)+FDi (IDi, vzi)作用在本体(例如车辆)重心上的力可使用本体的几何构型计算。在车辆的情况下，这个几何构型可以是轴距Iv、Ih和轨距Sf、Sh(参考图2)。此外，所述力还借助纵向线性加速度^、横向线性加速度 、装配有弹簧的车辆质量叫、纵向旋转轴线的高度、和横向旋转轴线的高度hy而确定
权利要求
1.一种用于确定本体的垂直加速度(az)、纵向角加速度(Cix)和横向角加速度(a y)的方法，所述本体具有纵向旋转轴线(χ)、横向旋转轴线(y)、至少三个弹簧元件(5)、至少三个减振器(6)和至少三个高度传感器(7)，一个高度传感器(7)在各个情况下被设置在相应的减振器(6)的区域中，其中确定减振器(6)的阻尼力0^)、弹簧元件( 的弹簧力(Fsi)、本体的重心、本体的质量 (mB)、本体的转动惯量(Jxx，Jyy)、减振器相对于本体重心的位置(sv、sh、Iv、Ih)、纵向旋转轴线的平均高度OO和横向旋转轴线的平均高度(hy)，并且借助本体的质量(mB)、本体的转动惯量(Jxx，Jyy)、减振器相对于本体重心的位置(sv、 sh、Iv、Ih)、纵向旋转轴线的平均高度OO和横向旋转轴线的平均高度(hy)、减振器(6)的阻尼力(Fm)和弹簧元件(5)的弹簧力(Fsi)确定垂直加速度(az)、纵向角加速度(αχ)和横向角加速度(ay)。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定本体的纵向加速度(ax)和本体的横向加速度(ay)，并且借助本体的横向加速度 (ay)和本体的纵向加速度(ax)确定所述垂直加速度( )、所述纵向角加速度(α x)和所述横向角加速度(ay)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中借助所述垂直加速度(az)、所述纵向角加速度(α J和所述横向角加速度(α y)确定本体的垂直速度(Vz)、纵向角速度(ωχ)和横向角速度(coy)。
4.如权利要求1-3中任意一项权利要求所述的方法，其中测量所述弹簧元件(5)的垂直偏转(Zi)，确定所述减振器(6)的阻尼电流(IDi)、所述弹簧元件(5)的垂直偏转速度(Vzi)、所述弹簧元件(5)的弹簧系数和所述减振器(6)的阻尼曲线，并且借助所述减振器(6)的阻尼电流(IDi)、所述弹簧元件(5)的垂直偏转(Zi)、所述弹簧元件( 的垂直偏转速度(Vzi)、所述弹簧元件( 的弹簧系数和所述减振器(6)的阻尼曲线来确定所述减振器(6)的阻尼力(i^Di)和所述弹簧元件(5)的弹簧力( )。
5.如权利要求1-4中任意一项权利要求所述的方法，其中所述本体包括四个减振器(6)和四个高度传感器(7)。
6.如权利要求1-5中任意一项权利要求所述的方法，其中所述本体是机动车辆，其包括多个车轮( 和装备有减振器(6)的至少一个车轮悬架系统(3)，并且至少一个高度传感器(7)在各个情况下被设置在相应的车轮O)的区域中。
7.如权利要求1-6中任意一项权利要求所述的方法，其中在确定所述垂直加速度(az)、所述纵向角加速度(Cix)和所述横向角加速度(ay)之后，所述减振器(6)的阻尼电流(Im)和/或所述弹簧元件的弹簧系数作为已被确定的所述垂直加速度(az)、所述纵向角加速度(Cix)和所述横向角加速度(ay)的函数而被调节。
8.如权利要求1-7中任意一项权利要求所述的方法，其中确定纵向角速度(ωχ)和/或在所述本体重心外侧的额外的垂直加速度(aj以便确定所述本体的横向角速度(《y)，并且借助所述纵向角速度(ωχ)和/或在所述本体重心外侧的所述额外的垂直加速度(aj来确定所述本体的所述垂直加速度(az)、所述纵向角加速度(α x)和所述横向角加速度(α y)。
9.一种能够被连接至本体的车轮悬架系统(3)，所述车轮悬架系统C3)包括至少三个弹簧元件( 、至少三个高度传感器(7)、至少三个减振器(6)和用于确定垂直加速度(az)、 纵向角加速度(αχ)和横向角加速度(Ciy)的运动确定单元(9)，其中所述运动确定单元(9)被配置为使得仅借助所述减振器(6)的阻尼力(Fm)、弹簧元件 (5)的弹簧力( )、本体的质量(mB)、本体的转动惯量(Jxx，Jyy)、减振器相对于本体重心的位置(sv、sh、Iv、Ih)、本体的纵向旋转轴线的平均高度(hx)和本体的横向旋转轴线的平均高度(hy)来执行所述垂直加速度(az)、所述纵向角加速度(α χ)和所述横向角加速度(α y)的确定。
10.如权利要求9所述的车轮悬架系统(3)，其中所述车轮悬架系统(3)包括用于确定所述本体的横向加速度( )的装置和用于确定所述本体的纵向加速度(ax)的装置，并且所述运动确定单元(9)被配置为使得仅借助所述减振器(6)的阻尼力( )、弹簧元件(5)的弹簧力( )、本体的横向加速度(ay)、本体的纵向加速度(ax)、本体的质量(mB)、本体的转动惯量(Jxx，Jyy)、减振器相对于本体重心的位置(sv、sh、Iv、Ih)、本体的纵向旋转轴线的平均高度(hx)和本体的横向旋转轴线的平均高度 (hy)来执行所述垂直加速度(az)、所述纵向角加速度(α J和所述横向角加速度(α y)的确定。
11.如权利要求9或10所述的车轮悬架系统(3)，其中 所述运动确定单元(9)被配置为使得借助所述减振器(6)的阻尼电流(IDi)、弹簧元件 (5)的垂直偏转(Zi)、弹簧元件( 的垂直偏转速度(Vzi)、弹簧元件( 的弹簧系数和减振器(6)的阻尼曲线来确定所述减振器(6)的阻尼力( )和弹簧元件(5)的弹簧力( ),其中所述本体是机动车辆(1)。
12.—种机动车辆(1)，其包括如权利要求9-12中任意一项权利要求所述的车轮悬架系统(3)。
13.如权利要求13所述的机动车辆(1)，其中其包括用于估计道路表面不平度的装置(18)。
14.一种用于操作车辆的方法，包括响应于经由多个减振器的阻尼电流和多个减振器的位置提供的车辆本体的垂直加速度、车辆本体的纵向角加速度以及车辆本体的横向角加速度而调节阻尼器。
15.如权利要求14所述的方法，其中经由额外的参数提供车辆本体的垂直加速度、车辆本体的纵向角加速度以及车辆本体的横向角加速度，所述额外的参数包括车辆本体的纵向加速度、车辆本体的横向加速度、车辆本体的质量以及车辆本体的两个转动惯量，所述方法还包括对所述多个减振器的位置微分以提供车辆本体的多个垂直速度。
16.一种用于操作车辆的方法，包括响应于经由车辆本体的质量、车辆本体的两个转动惯量、关于车辆本体重心的多个减振器的位置、车辆本体的纵向旋转轴线的平均高度、车辆本体的横向旋转轴线的平均高度、 多个减振器的阻尼力以及连接到车辆本体的多个弹簧元件的弹簧力提供的垂直加速度、纵向角加速度以及横向角加速度而调节阻尼器。
17.如权利要求16所述的方法，还包括响应于所述垂直加速度、纵向角加速度以及横向角加速度而调节所述多个弹簧元件的弹簧刚度；确定车辆本体的纵向加速度和车辆本体的横向加速度，并且其中所述垂直加速度、纵向角加速度以及横向角加速度经由车辆本体的所述横向加速度和车辆本体的所述纵向加速度确定；响应于车辆本体的垂直速度而调节所述阻尼器；以及测量所述多个弹簧元件的垂直偏转，并且其中提供所述多个减振器的阻尼电流、所述多个弹簧元件的垂直偏转的速度、所述多个弹簧元件的弹簧常数以及所述多个减振器的阻尼曲线。
18.如权利要求17所述的方法，其中经由所述多个减振器的阻尼电流、所述多个弹簧元件的垂直偏转、所述多个弹簧元件的垂直偏转的速度、所述多个弹簧元件的弹簧常数以及所述多个减振器的阻尼曲线提供所述多个减振器的阻尼力和所述多个弹簧元件的弹簧力。
全文摘要
本发明公开了一种用于确定本体的垂直加速度(az)、纵向角加速度(αx)和横向角加速度(αy)的方法。在此情况下，本体具有纵向旋转轴线(x)、横向旋转轴线(y)、至少三个弹簧元件(5)、至少三个减振器(6)和至少三个高度传感器(7)，一个高度传感器(7)在各个情况下被设置在相应的减振器(6)的区域中。所述方法的区别性在于确定减振器(6)的阻尼力(FDi)、弹簧元件(5)的弹簧力(FSi)、本体的重心、本体的质量(mB)、本体的转动惯量(Jxx，Jyy)、减振器相对于本体重心的位置(sv、sh、Iv、Ih)、纵向旋转轴线的平均高度(hx)和横向旋转轴线的平均高度(hy)，并且借助本体的质量(mB)、本体的转动惯量(Jxx，Jyy)、减振器相对于本体重心的位置(sv、sh、Iv、Ih)、纵向旋转轴线的平均高度(hx)和横向旋转轴线的平均高度(hy)、减振器(6)的阻尼力(FDi)、弹簧元件(5)的弹簧力(FSi)来确定垂直加速度(az)、纵向角加速度(αx)和横向角加速度(αy)。
文档编号B60W40/10GK102198833SQ201110075840
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月23日 优先权日2010年3月24日
发明者M·舒摩尔, M·苏尔曼, M·西曼, R·诺顿, U·霍夫曼, Y·博伊姆兴 申请人:福特环球技术公司