DE4325252A1 - Verfahren zur stetigen und kontinuierlichen Verstellung eines Ventilschiebers eines Hydraulikventils für Schwingungsdämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stetigen und kontinu­ ierlichen Verstellung eines Ventilschiebers eines Hydraulikven­ tils für Schwingungsdämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge, wobei der Ventilschieber elektromotorisch angetrieben wird, ein Sensor zur Ermittlung der Position des Ventilschiebers oder der Rotorposition vorgesehen ist und die gemessene Position des Ventilschiebers oder des Rotors als Istgröße und eine dem ein­ zustellenden Verstellwinkel des Ventilschiebers entsprechende Führungsgröße dem Regelkreis zugeführt werden.

Hydraulikventile für Schwingungsdämpfer, deren Ventilschieber von einem Elektromotor angetrieben werden, sind z. B. aus der europäischen Patentanmeldung EP 329 950 A2 und der deutschen Patentschrift DE 40 11 358 C1 bekannt.

Der Stator des als permanent erregten Einwicklungs-Drehstellers ausgebildeten Elektromotors aus der EP 329 950 weist ein Stän­ derblechpaket mit magnetischem Rückschluß und einer Wicklung mit Wicklungskopf auf. Die beiden Spulenhälften sind in Reihe geschaltet und um je einen Zahn des Ständerblechpaketes ge­ wickelt. Der innenliegende Rotor des Gleichstrommotors ist als Hohlzylinder ausgeführt und besteht aus einem hartmagnetischen Material, das diametral magnetisiert ist. Der durch den Gleich­ strommotor betätigbare Drehschieber des Ventils ist mit dem Rotor verbunden und mit Steueröffnungen versehen, die mit Durchbrüchen im Ventil korrespondieren.

Einen ähnlichen Aufbau weist das Hydraulikventil für einen Schwingungsdämpfer nach dem Patent DE 40 11 358 C1 auf. Hier wurde jedoch durch die Anordnung der Statorwicklung an der In­ nenwandung der Kolbenstange auf das Ständerblechpaket verzich­ tet. Der magnetische Rückfluß ist durch das magnetisierbare Material der Kolbenstange gewährleistet.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 29 52 695 A1 ist wei­ terhin ein Verfahren zur Steuerung eines Hydraulikventils be­ kannt, bei dem die Stellung des Ventilkörpers abgetastet und als Istwert dem Regelkreis zugeführt und mit einem Sollwert verglichen wird. Bei dem beschriebenen Regelkreis greifen auf­ tretende Störgrößen am Ausgang der Regelstrecke an und beein­ flussen das Übertragungsverhalten des Regelkreises hinsichtlich seiner Dynamik. Als Störgröße für eine Regelung der Position eines Ventilschiebers ist insbesondere der schwankende Fluid­ strom durch das Hydraulikventil zu berücksichtigen. Eine derar­ tige Störgröße ist bei dem bekannten Verfahren in ihrer Wirkung nicht berechenbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, daß dynamische Über­ tragungsverhalten des, das Verfahren zur Einstellung des Ven­ tilschiebers realisierenden, Regelkreises zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruchs gelöst, wobei die Unteransprüche eine vorteilhafte Ausführung darstellen.

Erfindungsgemäß werden die als Störgröße auf den Regelkreis wirkenden hydraulischen Rückwirkungen des Hydraulikstroms auf den Ventilschieber über die Bewegungsgrößen des Schwingungs­ dämpfers geschätzt und als Eingangsgröße dem Regelkreis zuge­ führt. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird als Bewegungsgröße des Schwingungsdämpfers zur Ermittlung der Stör­ größe die Relativgeschwindigkeit zwischen Dämpfungskolben und Dämpferzylinder verwendet. Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß die Führungsgröße von einem übergeordneten Regelkreis vorgegeben wird. Für die Verbesserung des fail-save- Verhaltens des Hydraulikventils werden nach einer Ausführung der Erfindung die auf den Ventilschieber wirkenden hydraulischen Rückwirkungen des Flüssigkeitsstroms ausgenutzt. Vorteilhafter­ weise wird dazu das Ventil als nichtlineares Filter ausgelegt, das die als Störgröße wirkenden hydraulischen Rückwirkungen vorzeichenabhängig unterschiedlich verstärkt.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, daß die als Störgröße wirkenden hydraulischen Schwankungen des Flüssig­ keitsstroms berechenbar werden und für die Verbesserung der Dynamik des Übertragungsverhaltens eingesetzt werden können. Durch den Einsatz der hydraulischen Rückwirkungen für die Ver­ besserung der fail-save-Funktion kann der Regelalgorithmus ver­ einfacht werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Hydraulikventils,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Regelkreises und

Fig. 3 den durch die hydraulischen Rückwirkungen hervorgeru­ fenen Verlauf des Störmomentes.

Fig. 1 zeigt ein Hydraulikventil mit drehwinkelbegrenztem Gleichstrommotor für den Einsatz in einem Schwingungsdämpfer zur Regelung der Dämpfungskraft. Der Schwingungsdämpfer 1 besitzt einen Dämpferzylinder 2, dessen Innenraum durch einen Dämpfungskolben 3 in einen unteren Arbeitsraum 4 und oberen Arbeitsraum 5 unterteilt ist. Der mit nicht dargestellten druckabhängigen Ventilen ausgestattete Dämpfungskolben 3 ist über einen Gewindeabschnitt 6 und eine Mutter 7 mit einer Kol­ benstange 8 verbunden. Die Kolbenstange besitzt eine zylindri­ sche Ausnehmung 9, in die der drehwinkelbegrenzte Gleichstrom­ motor 10 und das als Ventilschieber ausgebildete Stellelement 11 eingesetzt sind. Der Gleichstrommotor 10 weist einen Stator 12 auf, der aus der Statorwicklung 13 besteht. Der notwendige magnetische Rückschluß wird durch das magnetisierbare Material der Kolbenstange 8 gebildet, wobei als magnetischer Rückschluß auch ein Ständerblechpaket vorgesehen sein kann. Der Stator ist mit dem Motorkopf 14 durch Vergießen verbunden. Die Anschluß­ kabel 15 des Antriebs werden über den Motorkopf 14 und dann weiter durch die hohle Kolbenstange 8 nach außen geführt.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Motorkopf 14 eine Lauf­ welle 16 zum Halten und Führen des Rotors 17 befestigt. In der Ausbildung nach Fig. 1 weist der Rotor 17 einen Tragkörper 18 auf. Einteilig mit diesem Tragkörper 18 ist als Ventilschieber 11 ein Ventilkopf ausgebildet. Der Ventilschieber besitzt eine oder mehrere Durchbrüche 20 und bildet mit Durchbrüchen 21 in der Kolbenstange 8 den querschnittsveränderbaren Bypass. Der Bypassquerschnitt wird durch Verdrehen der Durchbrüche 20 im Ventilschieber 11 gegenüber den Durchbrüchen 21 in der Kolben­ stange 8 verändert. Am Tragkörper 18 sind zwei Permanentmagnete 22 mittels einer Vergußschicht derart angeordnet, daß der Rotor 17 eine diametrale Magnetisierung aufweist. Am Motorkopf 14 und Tragkörper 18 sind Anschläge 24, 25 vorgesehen, um den Ver­ stellwinkel < 180° einzustellen. Bei einem Verstellwinkel von 180° wird kein Drehmoment erzeugt.

Das Blockschaltbild der Positionsregelung für den komotatorlo­ sen Gleichstromantrieb des Ventilschiebers 11 ist in Fig. 2 dargestellt. Die für die Einstellung des Verstellwinkels des Ventilschiebers notwendige Führungsgröße α_soll wird von einem übergeordneten Regelkreis R1 in Abhängigkeit der Fahrbedingun­ gen des Kraftfahrzeuges vorgegeben und mit dem momentanen Ein­ stellwinkel α_bist des Ventilschiebers als Istgröße verglichen. Die so gebildete Regelabweichung wird dem Regler R, z. B. einem PID-Regler als Eingangsgröße zugeführt. Zur Messung der Ist­ größe α_ist kann beispielsweise ein Halleffekt-Sensor M zur Er­ mittlung des Verstellwinkels des Rotors verwendet werden, da der Verstellwinkel des Rotors ein direktes Maß für die Position des Ventilschiebers darstellt. Die im Regler aus der Abweichung zwischen der Führungsgröße α_soll und Istgröße α_ist gebildete Stellgröße I wird dem aus Leistungselektronik und Motor beste­ hendem Stellglied G zur Einstellung der Ventilschieberposition zugeführt. Als Störgröße z geht insbesondere der schwankende Flüssigkeitsstrom durch das Hydraulikventil V selbst in den Regelkreis ein. Der schwankende Flüssigkeitsstrom korreliert sehr stark mit dem Bewegungszustand des Schwingungsdämpfers. Diese Störgröße α_z kann damit über die Sensorik, beispielsweise den für die übergeordnete Fahrwerksregelung notwendigen Rela­ tivgeschwindigkeitssensor abgeschätzt werden. Sie wird damit meßbar und kann vom Regler R bei der Berechnung der Stellgröße I berücksichtigt werden.

Die als Störgröße in den Regelkreis eingehenden hydraulischen Rückwirkungen des Flüssigkeitsstroms wirken vornehmlich in Richtung Verkleinerung des Ventilquerschnitts und können damit zur Verbesserung des fail-save-Verhaltens ausgenutzt werden, wenn das Hydraulikventil so ausgelegt wird, daß es als nichtli­ neares Filter F wirkt, das die Störgröße vorzeichenabhängig unterschiedlich verstärkt. Der Verlauf des Störmomentes Z_M über ein Hydraulikventil in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms über der Zeit t ist in Fig. 3 gezeigt.

 1 Schwingungsdämpfer
 2 Dämpfungszylinder
 3 Dämpfungskolben
 4 Arbeitsraum
 5 Arbeitsraum
 6 Gewindeabschnitt
 7 Mutter
 8 Kolbenstange
 9 Ausnehmung
10 Gleichstrommotor
11 Stellelement
12 Stator
13 Statorwicklung
14 Motorkopf
15 Anschlußkabel
16 Laufwerk
17 Rotor
18 Tragkörper
20 Durchbrüche
21 Durchbrüche
22 Permanentmagnet
24 Anschläge
25 Anschläge
α_ist momentaner Einstellwinkel
α_soll Führungsgröße
R1 Regelkreis
R Regler
M Sensor
I Stellgröße
z Störgröße
V Hydraulikventil
α_z gemessene Störgröße
F nichtlineares Filter
Z_M Störmoment

Claims (5)

1. Verfahren zur stetigen und kontinuierlichen Verstellung eines Ventilschiebers eines Hydraulikventils für Schwin­ gungsdämpfer, insbesondere für Kraftfahrzeuge, wobei der Ventilschieber elektromotorisch angetrieben wird, ein Sensor zur Ermittlung der Position des Ventilschiebers oder der Rotorposition vorgesehen ist und die gemessene Position des Ventilschiebers oder des Rotors als Istgröße und eine dem einzustellenden Verstellwinkel des Ventilschiebers entspre­ chende Führungsgröße dem Regelkreis zugeführt werden, da­ durch gekennzeichnet, daß der als Störgröße (z) wirkende schwankende Flüssigkeitsstrom durch das Hydraulikventil (V) über die Bewegungsgrößen des Schwingungsdämpfers geschätzt und als Eingangsgröße (α_z) dem Regelkreis zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bewegungsgröße des Schwingungsdämpfers zur Ermittlung der Störgröße (α_z) die Relativgeschwindigkeit zwischen Dämp­ fungskolben (3) und dem Dämpferzylinder (2) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgröße (α_soll) von einem übergeordneten Re­ gelkreis (R1) vorgegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die auf den Ventilschieber wirkenden hydrauli­ schen Rückwirkungen des Hydraulikstroms zur Realisierung/Ver­ besserung des fail-save-Verhaltens des Hydraulikventils ausgenutzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydraulikventil als nichtlineares Filter (F) die hydrauli­ schen Rückwirkungen vorzeichenabhängig unterschiedlich ver­ stärkt.