Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Fahrwerksregelung nach der Gattung des Hauptanspruches. Es ist bereits bekannt, die Federungseigenschaften eines Fahrwerkes, beispielsweise durch Ver¬ änderung der Dämpfungsfaktoren von Stoßdämpfern, statisch, d. h. lediglich zu Beginn einer Fahrt, zu verändern, um den Fahrkomfort und/oder die Fahrsicherheit zu verbessern. Eine Anpassung im Fahr¬ betrieb an sich ständig verändernde Fahrbahnverhältnisse ist auf diese Weise nicht möglich.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches bietet demgegenüber den Vorteil, daß während des Fahrbetriebes der aktuelle Fahrbahnzustand berücksichtigt werden kann und daß das Verhalten des Fahrwerks unverzüglich den jeweils auftretenden Fahrbahnverhältnissen im Sinne einer Verbesserung des Fahrkomforts und der FahrSicherheit angepaßt werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. In weiteren Unteransprüchen werden

Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Zeichnung

Das Verfahren und die Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens werden anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 das Vorderteil eines Fahrzeuges mit einem daran angeordneten Ultraschallwandler zur Erläuterung des dem Verfahren zugrundeliegenden Meßprinzips, Figur 2 das Block¬ schaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur 3 den Stromlaufplan eines Ausführungsbeispieles der Einrichtung, Figur 4 den Ultraschalltrichter des Ultraschall¬ wandlers der Einrichtung; Figur 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Abstrahlcharakteristik des Ultraschalltrichters, Figur 6 ein Zeit¬ diagramm der Auswerteschaltung, Figur 7 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen der Impulszahl und der AusgangsSpannung des in dem Ultraschallgerät enthaltenen DA-Wandlers, Figur 8 in einem Dia¬ gramm den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Impulszahl, Figur 9 ein Blockschaltild der Auswerteschaltung, Figur 10 einen Stromlaufplan der Auswerteschaltung, Figur 11 in einem Diagramm das Ultraschallsignal sowie die Federarmauslenkung eines Fahrzeugrades als Funktion der Zeit; Figuren 12 bis 15 in Diagrammen das Ultra- scHallsignal und die Stempelgeschwindigkeit eines die Fahrbahn simulierenden Stempels als Funktion der Zeit.

Beschreibung der Erfindung

Zur Verbesserung des Komforts und der Fahrsicherheit soll im F hr¬ betrieb die Federung eines Fahrzeugs 1 entsprechend den jeweils angetroffenen Fahrbahnverhältnissen abgestimmt werden. Dazu wird die Fahrbahnoberfläche FO überwacht, um Unebenheiten der Fahrbahn zu erkennen, bevor sie von den Reifen überfahren werden.

Als Maß für die Fahrbahnunebenheit kann die zeitliche Veränderung des Abstandes a (siehe Figur 1) zwischen Fahrzeugboden und Fahrbahn¬ oberfläche dienen. Diese Änderungsgeschwindigkeit

v = da/dt (1)

wird vorzeichenrichtig mit einem Ultraschallsensor 2, der nach dem Dopplereffekt arbeitet, gemessen.

Im praktischen Betrieb muß je einer dieser Sensoren 2 am Fahrzeugbug in der Spur jedes Vorderrades angebracht werden, damit für jedes der beiden Radpaare der Fahrbahnzustand getrennt erfaßt werden kann.

Unter dem akustischen Dopplereffekt, der bei allen Schallwellen auf¬ tritt, also auch beim Ultraschall, versteht man eine Frequenzver¬ schiebung zwischen Sende- und Empfangsfrequenz, wenn sich Sender und Empfänger relativ zueinander bewegen. Dabei ist nur die radiale Geschwindigkeitskomponente in Verbindungsrichtung zwischen Sender und Empfänger entscheidend, tangentiale Geschwindigkeitskomponenten bewirken keine FrequenzverSchiebung.

Es müssen zwei Fälle unterschieden werden:

a) Ruhender Sender, bewegter Empfänger

Wenn sich der Empfänger mit der Relativgeschwindigkeit v zum ruhenden Sender hinbewegt, so registriert der Empfänger statt der Sendefrequenz f die veränderte Frequenz

f ■ f (1 + v/c) . (2)

Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit im betreffenden Medium, v ist positiv, wenn die Bewegung in Richtung des Senders erfolgt.

b) Bewegter Sender, ruhender Empfänger

Bewegt sich dagegen der Sender mit der Relativgeschwindigkeit v zum ruhenden Empfänger hin, so wird die Frequenz

^f " ^f0 T-^FTc- ^(3a)

■ f (1 + v/c) (3b)

empfangen, d. h. es ergibt sich dieselbe Frequenzverschiebung wie bei ruhendem Sender und bewegtem Empfänger.

Bei der Anwendung als Ultraschallsensor sind Sender und Empfänger nebeneinander, senkrecht auf die Fahrbahn gerichtet, am Fahrzeugbug angebracht (vgl. Figur 1). Betrachtet wird die Änderungsgeschwindig- keit

v = da/dt (1)

des Abstandes a zwischen Fahrzeugboden (und damit Sender und Empfänger) und Fahrbahnoberfläche. Als Bezugssystem wird ein mit dem Fahrzeug bewegtes System gewählt, so daß Sender und Empfänger als ruhend erscheinen.

Der am Fahrzeug angebrachte (ruhende) Sender sendet mit der Frequenz f senkrecht auf die Fahrbahn. Von der Fahrbahnoberfläche, die sich senkrecht zum Fahrzeugboden mit der Relativgeschwindigkeit v bewegt, wird also die Frequenz

f = f _Q (1 + v/c) (4)

empfangen. Die Fahrbahn reflektiert diese Frequenz, und wirkt so

gleichsam als bewegter Sender, während der Empfänger am Fahrzeug in Ruhe ist. Deshalb wird jetzt die Frequenz

= f.

1 - v/c

_ 1 + v/c

¹ ~ ^{v c} (5a)

empfangen.

Für sehr kleine Geschwindigkeiten v gilt näherungsweise

****_•* _— —1—■*•—v ^* —/~c

1 - v/c

= f _Q (1 + v/c) ²

s £ (1 + 2 v/c) (5b)

Darüber hinaus bewegt sich das Fahrzeug mit der Fahrgeschwindigkeit v parallel zur Fahrbahn. Als Tangentialgeschwindigkeit bewirkt sie jedoch keine FrequenzverSchiebung. Allerdings ist die Änderungs¬ geschwindigkeit v = da/dt von der Fahrgeschwindigkeit v = ds/dt abhängig:

^v ir x fr ä "** ^■>* ' ^• <* ^■ > s ist die vom Fahrzeug zurückgelegte Strecke. Das muß bei einer späteren Weiterverarbeitung der ermittelten Geschwindigkeit v beach¬ tet werden.

Bei einer Geschwindigkeit v im Bereich zwischen - v und

^ max

+ v schwankt die empfangene Frequenz zwischen

f . = f _n (1 - 2 v /c) (7) emm 0 max

und

f = f _rt (1 + 2 v . /c) (8) emax 0 mm

Um die in dieser Frequenz enthaltene Geschwindigkeitsinformation auszuwerten, muß die Differenzfrequenz f zwischen Empfangs¬ frequenz f und einer festen Überlagerungsfrequenz f.. gebildet werden:

= 1 f.. - u (9)

Natürlich kann diese Differenzfrequenz nur positiv sein. Wenn man als Überlagerungsfrequenz die Sendefrequenz f verwendet, erhält man keine Information über die Richtung der Bewegung, d. h. das Vor¬ zeichen von v, weil positive und negative Geschwindigkeiten dieselbe positive Differenzfrequenz liefern.

Es ist daher sinnvoller, als Überlagerungsfrequenz eine Frequenz zu verwenden, die sich um mehr als die maximale mögliche Frequenzver¬ schiebung

von der Sendefrequenz f unterscheidet. Hier wurde f.. > f. gewählt, es wäre jedoch ebenso f.. - _> f.. möglich gewesen.

Die Differenzfrequenz berechnet sich nun also zu

- f ^f d = u

= f.. - f _ft (1 + 2 v/c) u (11)

Sie schwankt um den Offset-Wert

herum zwischen den Frequenzen

f. . = f.. - f dmm u emax

= f.. - f _Λ (1 + 2 v /c) u 0 max

= f.. - 2 v /c (13) dO max

und

f_ = f.. - f . dmax u emm

= f _Jn + 2 v /c . (14) dO max

Es ist sinnvoll, anschließend eine Halbierung der Differenzfrequenz vorzunehmen, um ein exakt gleiches Impuls-Pause-Verhältnis zu schaffen.

Dadurch ergibt sich die Gate-Frequenz

f ._ 1/2 f. g d

= 1/2 [f„ - ff (1 + 2 v/c)] , (15)

die dann einem Zähler zugeführt wird.

Die weitere Auswertung der Differenzfrequenz f geschieht in einem Zähler mittels eines Vergleichssignals, dessen feste Frequenz f wesentlich größer als die Gate-Frequenz f ist. Dazu werden die Impulse des Vergleichssignals während einer halben Periode des Gate-Signals (entsprechend einer Periode des Differenzsignals) ge¬ zählt. Die Zahl der Impulse ist ein Maß für die Größe der Differenz¬ frequenz und damit auch für die Geschwindigkeit v.

Es werden also drei verschiedene Frequenzen benötigt: die Sende¬ ffrreeqquueennzz ff , die Überlagerungsfrequenz f.. und die Vergleichs- frequenz f

Wenn man diese drei Frequenzen aus einem einzigen Oszillator durch Vervielfachung und Teilung erzeugt, erreicht man, daß die Impulszahl von der Oszillatorfrequenz unabhängig ist:

Oszillatorfrequenz f

Überlagerungsfrequenz - f.. - N1/N2 f (16)

Vergleichsfrequenz f = N1/N3 f (17) .

Der Faktor N3 ist frei wählbar, er bestimmt im wesentlichen die Auf¬ lösung der gemessenen Geschwindigkeit.

Die Meßzeit am Zähler (halbe Periodendauer des Gate-Signals) beträgt dann

_τ _ 1_

^Tm ~ 2 f _r

fg - f ₀ (1 + 2 v/c)

(18) f ₀ (N1/N2 - 1 - 2 v/c)

Daraus ergibt sich die Impulszahl

= T f m \

f ₀ (N1/N2 - 1 - 2 v/c) N3 fr

unabhängig von der Sendefrequenz.

Als Vorteile ergeben sich hieraus weiter, daß der Oszillator einfach aufgebaut sein kann und keine hohen Anforderungen an die Frequenz¬ stabilität zu erfüllen sind, daß die Temperaturdrift des Oszillators keinen Einfluß hat, und daß keine Justage erforderlich ist, wenn z. B. ein neuer Ultraschallwandler eingebaut wird.

Dadurch ist auch eine wesentlich höhere Genauigkeit des Meßer¬ gebnisses erreichbar.

Sowohl als Sender als auch als Empfänger werden als Biegeschwinger ausgestaltete Piezowandler verwendet. Diese Wandler haben beispiels¬ weise eine ausgeprägte Eigenfrequenz im Bereich zwischen 30 kHz und 35 kHz. Der Oszillator schwingt mit dieser Resonanzfrequenz und auch der Bandpaß (vgl. Figur 3) ist auf diese Mittenfrequenz abgestimmt.

Als Schalltrichter wurde vor Sender und Empfänger derselbe später anhand von Figur 4 noch erläuterte Exponentialtrichter verwendet. Durch die damit erreichbare Bündelung des Strahls kann der Strahl gezielt auf die Meßfläche gerichtet werden und störende Einflüsse der Umgebung werden klein gehalten.

Eine zu starke Strahlbündelung muß jedoch vermieden werden, weil der Ultraschallstrahl durch Luftströmungen (Fahrtwind) und Temperatur¬ unterschiede gebeugt wird. Die Beugung tritt umso stärker auf, je schärfer der Strahl gebündelt ist.

Figur 2 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Einrichtung umfaßt einen ein Sendesignal der Frequenz f erzeugenden Oszillator 10. Bei dem Oszillator 10 handelt es sich um einen als Biegeschwinger ausge¬ stalteten piezoelektrischen Wandler, der eine Sendefrequenz f im Bereich zwischen 30 kHz und 35 kHz erzeugt. Das Sendesignal mit der Frequenz f wird einerseits einer Sendeantenne 11 zur Abstrahlung auf die Fahrbahnoberfläche und andererseits einer Phase-Lock-Loop-Stufe 12 zugeführt. Durch nachgeschaltete Teiler-Multiplikatorstufen 13, 14 werden aus der Frequenz f des Sendesignales die Überlagerungsfrequenz f.. und die Vergleichs¬ frequenz f erzeugt. Die Einrichtung umfaßt weiter ein Empfangs¬ teil 15 zum Empfang eines Signals der Frequenz f , die sich aus dem vom Oszillator 10 abgestrahlten Signal durch Reflexion an der Fahrbahnoberfläche ergibt. Das Empfangsteil 15 umfaßt eine Empfangs¬ antenne 16 sowie als Empfänger 17 einen als Biegeschwinger ausge¬ stalteten Piezowandler der gleichen auch schon im Oszillator 10 ver¬ wendeten Art. Die Empfangsfrequenz f wird nach Verstärkung in einem selektiven Verstärker 18, 19 einer Mischstufe 20 zugeleitet. In dieser Mischstufe 20 wird die Empfangsfrequenz f mit der festen Überlagerungsfrequenz f.. gemischt, so daß sich die

Differenzfrequenz f, ergibt. Diese Differenzfrequenz f wird zur d α

Erzeugung einer Gate-Frequenz einer weiteren Teilerstufe 21 zuge¬ leitet, die die Differenzfrequenz f zweckmäßig durch zwei teilt. Die Gate-Frequenz f und die feste Vergleichsfrequenz f werden einer später noch anhand von Figur 9 erläuterten AuswerteSchaltung 22 zugeleitet. Diese AuswerteSchaltung 22 beeinflußt mittels eines Ausgangssignales U. die Federungsmittel 23 des Fahrwerks des Fahr- zeugs 1.

Figur 3 zeigt in Form eines Stromlaufplanes ein Ausführungsbeispiel der in Figur 2 als Blockschaltbild dargestellten Einrichtung ohne die Bestandteile 22 und 23.

Figur 4 zeigt in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt darge¬ stellt, in einem Abbildungsmaßstab von ungefähr 2 : 1, einen sowohl als Sendeantenne 11 als auch als Empfangsantenne 16 verwendeten Ultraschalltrichter, der aus einem ersten, im wesentlichen zylinder- förmigen Abschnitt 41 und aus einem zweiten Abschnitt 42 besteht, der im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Der zylinder- förmige erst§ Abschnitt 41 sitzt dabei auf der Grundfläche des kegelstumpfförmig ausgebildeten zweiten Abschnittes 42 auf. Die Abschnitte 41 und 42 sind von einer in Axialrichtung verlaufenden Bohrung 43 durchsetzt, die sich zur Abstrahlungs- bzw. Einstrah¬ lungsöffnung 43a hin trichterförmig erweitert. Der Ultraschall¬ trichter 40 ermöglicht die Bündelung der abgestrahlten Ultraschall¬ wellen, so daß diese gezielt auf die Meßfläche gerichtet werden können. Die Abstrahlcharakteristik des Ultraschalltrichters 40 ist in dem Diagramm der Figur 5 dargestellt. Auf der Empfängerseite sorgt die Bündelungscharakteristik des Ultraschalltrichters 40 dafür, daß neben der interessierenden Frequenz f möglichst wenig Störanteile aufgenommen werden. Allerdings ist eine zu starke Strahlbündelung zu vermeiden, da beim Fahrbetrieb infolge von Luft- i

Strömungen und Temperaturunterschieden Beugungseffekte auftreten können, die die Kopplung zwischen Sendeantenne und Empfangsantenne beeinträchtigen können.

Die im Blockschaltbild der Figur 2 mit 22 bezeichnete Auswerteschal¬ tung wird nun unter Bezug auf Figur 6, Figur 9 und Figur 10 be¬ schrieben. Figur 6 zeigt ein Zeitdiagramm der Auswerteschaltung, während Figur 9 die AuswerteSchaltung als Blockschaltbild und Figur 10 die Auswerteschaltung als Stromlaufplan zeigen. Die Auswerte¬ schaltung nach Figur 9 umfaßt ein EX-OR-Glied 90, dessen Eingangs¬ anschluß die Gate-Frequenz f zugeführt wird. Der Ausgangsanschluß des EX-OR-Gliedes 90 ist einerseits mit dem Eingangsanschluß einer monostabilen Kippstufe 91, sowie andererseits mit dem Stop-Anschluß eines Binärzählers 92 verbunden. Dem Eingangsanschluß des Binär¬ zählers 92 wird die Vergleichsfrequenz f zugeführt. Der Ausgangs¬ anschluß des Binärzählers 92 ist mit einem Zwischenspeicher 93 ver¬ bunden. Der Ausgangsanschluß dieses Zwischenspeichers 93 wiederum ist mit dem Eingangsanschluß eines Digital-Analog-Wandlers 94 ver¬ bunden, an dessen Ausgangsanschluß das AusgangsSignal U zur Ver¬ fügung steht. Zur Erläuterung der Funktion der Auswerteschaltung 22 werden jetzt zusätzlich Figur 6 und Figur 10 betrachtet.

Während einer Halbperiode des Gate-Signals f werden die Impulse des Vergleichssignals f gezählt. Die ermittelte Impulszahl wird in einen analogen Spannungswert U. umgewandelt. Jedoch können die als digitale Information vorliegenden Impulse in einem anderen Aus- führungsbeispiel der Erfindung direkt von einem Rechner zur Weiter¬ verarbeitung übernommen werden.

Bei jeder Flanke des Gate-Rechtecksignals f (Figur 6b) wird zunächst vom EX-OR-Glied 90 ein kurzer Rechteckimpuls erzeugt (EXOR-Signal Figur 6c). Dessen abfallende Flanke triggert eine mono-

stabile Kippstufe 91, die daraufhin ebenfalls einen kurzen Recht¬ eckimpuls abgibt (Monoflop-Signal Figur 6d) . Die Dauer der beiden Impulse wird durch die äußere RC-Beschaltung bestimmt (vergleiche Figur 10).

Solange kein EXOR-Signal anliegt, werden die Impulse des Vergleichs- Signals f (Figur 6a) vom Binärzähler 92 (Figur 9) hochgezählt. Sobald aber das EXOR-Signal auf H springt, wird der Zähler 92 ge¬ stoppt. Gleichzeitig wird das bisher erreichte Zählergebnis, die Impulszahl n , in den Zwischenspeicher 93, der als Halteglied wirkt, übernommen. Danach wird der Binärzähler 92 durch das Mono- flop-Signal zurückgesetzt und es kann von neuem gezählt werden.

Die Gesamtdauer t + t der beiden Rechteckimpulse des e m

EX-OR-Gliedes 90 und der monostabilen Kippstufe 91 wird zweckmäßig derart bemessen, daß gilt:

t + t < T = 1/f , (20) e m v v

Dadurch wird erreicht, daß beim Zählen nur maximal ein Impuls des Vergleichssignals f ausgelassen wird. Für N3 $*■ 2 kann das mit der hier vorgeschlagenen Schaltung erreicht werden. Für N3 = 1 ist diese Bedingung jedoch nicht mehr erfüllbar; dann sollte die Dauer des EX-OR-I pulses t möglichst klein sein.

Das jeweils am Ausgang des Zwischenspeichers 93 anstehende Ergebnis wird durch einen Digital-Analog-Wandler 94 in einen analogen

Spannungswert U, umgesetzt. Das Signal U. beeinflußt dann die A A

Federungsmittel 23 im Sinne einer Verbesserung des Fahrkomforts und/oder der FahrSicherheit.

Die Zeit bis zur nächsten Meßwertaktualisierung ist von der Frequenz des Gate-Signales f und damit vom Meßwert abhängig. Sie beträgt im Mittel

*m - 2 f,g0

(21) f ₀ (N1/N2 -1)

und hängt damit von der gewählten Oszillatorfrequenz f ab.

Die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 94 wurde bei einigen vorgegebenen festen Impulszahlen gemessen. Der ermittelte Zusammenhang ist in Figur 7 dargestellt.

Aus

n _τ = N1/N3 ₍₁₉₎

¹ N1/N2 - 1 - 2 v/c ergibt sich für die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der ge¬ messenen Impulszahl

v = £ (Nl _ 1 _ _____ ^" N2 N3 n _j /

(22)

Der auf diese Weise berechnete Zusammenhang ist in Figur 8 aufge¬ tragen.

Bei einer Testfahrt wurde für N3 = 5 angesetzt und ein 8-bit Digi¬ tal-Analog-Wandler 94 in der AuswerteSchaltung nach Figur 9, Figur

10 verwendet. Die Einrichtung wurde unter der Stoßstange des Ver¬ suchsfahrzeugs in der Spur des rechten Vorderrades derart ange¬ bracht, daß die Trichter der Ultraschallwandler etwa senkrecht nach unten auf die Oberfläche der Fahrbahn gerichtet waren. Figur 11 zeigt im oberen Kurvenverlauf das Ultraschallsignal und im unteren Kurvenverlauf die zum Vergleich gemessene Federauslenkung des Sto߬ dämpfers am rechten Vorderrad bei einer Fahrt mit etwa konstanter Geschwindigkeit von 80 km/h.

Wesentlich bessere Ergebnisse wurden mit N3 =1 und einem 10-bit-DA-Wandler in der Auswerteschaltung nach Figur 9, Figur 10 erzielt.

Weitere Meßwerte (Figur 12 bis Figur 15) wurden auf einem Prüfstand gewonnen. Das Fahrzeug wurde dabei so auf den Prüfstand gefahren, daß die Einrichtung feststehend über einem auf und ab bewegbar angeordneten, die Oberfläche der Fahrbahn simulierenden Stempel hing. Der Stempel wurde in einem mittleren Meßabstand von ca. 30 cm sinusförmig auf und ab bewegt. Stempelauslemkung sowie Ausgangs¬ signal des DA-Wandlers wurden als Funktion der Zeit im Meßdiagramm erfaßt.

Unter Verwendung des Zusammenhangs zwischen AusgangsSpannung des DA-Wandlers und Impulszahl (Figur 7) konnte nach

das korrigierte Doppiersignal berechnet werden. Das korrigierte Dopplersignal (untere Kurve) und die Stempelgeschwindigkeit (obere Kurve) sind für verschiedene Schwingungsfrequenzen des Stempels in den Figuren 12 bis 15 dargestellt. Zur besseren Unterscheidung sind beide Signale in den Diagrammen leicht in vertikaler Richtung gegen¬ einander verschoben.

Aus den Diagrammen ist deutlich erkennbar, daß das durch Reflexion an der Stempeloberfläche gewonnene korrigierte Dopplersignal die Stempelbewegung sehr genau abbildet, so daß auf diese Weise Uneben¬ heiten der Fahrbahnoberfläche festgestellt und zur Beeinflussung der Federungsmittel 23 ausgenutzt werden können.

Oben wurde erwähnt, daß je ein Sensor 2 am Fahrzeugbug in der Spur jedes Vorderrades angebracht wird, um für jedes der beiden Radpaare den Fahrbahnzustand getrennt erfassen zu können. Es ist weiter möglich, jedem Rad des Fahrwerks einen getrennten Sensor zuzuordnen.