Einleitung
Ende der 1990 er Jahre wurden erstmals hydraulische Wankstabilisierungssysteme in Pkws der Oberklasse eingeführt. Diese Entwicklung sollte eine aktive Reduzierung der Wankbewegungen speziell bei schnellen Kurvenfahrten und durch den Ersatz des starren Stabilisators eine deutliche Verbesserung des Geradeauskomforts ermöglichen. Derartige Systeme tragen damit wesentlich zur Auslösung des Zielkonfliktes Sportlichkeit – Sicherheit – Komfort bei. Der stark gewachsene Markt für komfortbetonte SUVs ist Auslöser für die durchgeführten Neu- und Weiterentwicklungen.

Funktionsprinzip und Entwicklungsziele
Zum Aufbau wankstabilisierender Momente werden mittels einer vom Verbrennungsmotor getriebenen Hydraulikpumpe Druckdifferenzen in Linear- oder Rotationsaktenor erzeugt. Zur Regelung der Aktordrücke werden Druckregel- oder Druckminderventilen eingesetzt, welche schnell und stabil die geforderten Drücke stellen, aber auch Störgrößen, wie Volumenstromspitzen, ausgleichen sollen. Wesentliche Ziele der Neu- und Weiterentwicklungen sind die Realisierung einer stabilen und harmonischen Momentenregelung für die beiden Fahrzeugachsen bei gleichzeitig hoher Stell- und Umsteuerdynamik. Komfortbetonte Anwendungen erfordern zudem eine hohe Ansprechempfindlichkeit auch bei geringem Momentenbedarf.

Zweiblocklösung mit Druckregel – und Umschaltventilen
In der Weiterentwicklung eines bekannten Grundprinzipes konnten die Stellzeiten des Druckregelventiles für Druckaufbau und Druckabbau durch intensive Optimierungen der Ventildämpfung und eine spezielle Gestaltung von Vorsteuernuten in den Umschaltventilen erheblich reduziert werden.

Einblocklösung mit 4/3-Druckminderventilen
Für das Eingangs-Druckregelventil wurde durch die Integration von Seltenerd- Permanentmagneten die Stelldynamik und das Ansprechverhalten bei kleinen Strömen optimiert. Ein komplett neu entwickeltes 4/3 Wege Druckminderventil mit geschlossener Mittelstellung wird durch einen elektromagnetischen Linearmotor angesteuert. Ein komplexer Steuerkolben sorgt für die Druckregelung und das Umsteuern zwischen den beiden Aktorkammern. Der Magnetantrieb ist durch zwei Permanentmagnetkreise in Mittelstellung vorgespannt. Durch Wechsel der Stromrichtung in der Magnetspule kann der Magnetanker in zwei Richtungen ausgelenkt werden.

Simulation und Funktionserprobung in Labor und Fahrzeug
Die Auslegung und Optimierung der Ventiltechnik erfolgte unter intensiver Einbindung von FEM Simulationen für die Untersuchung von Magnetkreisen, Festigkeits- und Schwingungsthematiken. Für die Optimierung von Innenströmungen kamen CFD Tools zum Einsatz. Auf der Basis der Ergebnisse aus den Feldberechnungen und mit zusätzlichen Messergebnissen erfolgte der Aufbau und die Pflege von Systemmodellen die neben der Ventiltechnik das komplette Hydrauliksystem abbilden.
Neben diversen Ventilprüfständen wurde auch ein fahrzeugnaher Systemprüfstand aufgebaut. Hier können die Ventile zusammen mit Pumpe, Leitungssystem, Aktoren, elektrischer Ansteuerung aus dem Fahrzeugsteuergerät und eingeprägten Fahrbahnprofilen betrieben werden. Der Aufbau ermöglichte die Validierung der Systemmodelle und das Bewerten von Optimierungsmaßnahmen im Labor.

Konstruktion und Fertigungstechnologien der Einzelteile
Zur Minimierung von Materialeinsatz und Teilekosten wurden vielfach Ur- und Umformtechniken eingesetzt, wie z.B. gerollte Magnetgehäuse aus vorgeglühtem Weicheisen zur Minimierung der Hysterese. Bei Umschalt- und Sicherheitsventilen bewegt sich der Ventilkolben direkt im Aluminiumventilkörper.
Automatisierte Montage und Endprüfung
Die Ventil werden konsequent als druckdichte Laserschweißkonstruktionen aus Tiefzieh-, Fließpress- und Drehteilen aufgebaut. Justage und hydraulische Funktionsprüfung erfolgen automatisch an produktspezifischen Prüfständen. Für die pneumatische Endprüfung der komplettierten Ventileinheiten konnten gute Korrelationen zur Funktion an Öl erarbeitet werden.

Aktive Federungen (4-Quadrantenbetrieb) für den Einsatz im PKW werden seit 1998 serienmäßig unter dem Namen Active Body Control (ABC) von Daimler in der S- und CL-Klasse eingesetzt . Beim ABC-System handelt es sich um eine Federfußpunktverstellung mittels eines hydraulischen Kolbens. Alternative Systeme, wie z.B. das auf elektrischen Aktuatoren basierende Bose Suspension System kommen über das Prototypenstadium nicht hinaus.
Im militärischen Bereich ist 2009 eine aktive Fahrzeugfederung erfolgreich im DINGO II eingesetzt worden. Dieses System verwendet einen reversiblen Flügelzellenmotor als Antrieb, dieser versorgt einen Hydraulikzylinder.
Aktive Federn auf Basis von Rollbalg-Luftfedern sind zwar in der Idee seit 1991 bekannt, aufgrund vielfacher Schwierigkeiten aber noch nie realisiert worden.
In diesem Artikel wird die Entwicklung, Untersuchung und Bewertung eines aktiven Luft-Feder-Dämpfers - basierend auf einer serienmäßigen Rollbalg-Luftfeder - für den Einsatz in einem PKW beschrieben.
Die Federkraft einer Rollbalgluftfeder ergibt sich zu F=(p-p_u)*A, p ist der Innendruck der Feder, p_u der Umgebungsdruck und A die druckwirksame Fläche. Bei einer Rollbalgluftfeder ergibt sich die druckwirksame Fläche A ungefähr aus denjenigen Punkten der Rollbalgfalte, an die eine radiale Tangente angelegt werden kann.
Der aktive Betrieb, d.h. das Stellen von axialen Kräften unabhängig von der Bewegungsrichtung wird möglich durch eine Änderung der druckwirksamen Fläche A. Dies geschieht durch das radiale Verschieben von Kolbensegmenten, an denen der Balg anliegt. Die Funktionsweise und der experimentelle Nachweis der Funktionsfähigkeit wurden bereits während der 8. IFK präsentiert.
Basierend auf diesen Ergebnissen erfolgt in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner die Weiterentwicklung des bisherigen Systems in einen fahrzeugtauglichen Prototyp. Dabei liegt der Schwerpunkt auf:
1) Entwicklung einer Energierückgewinnung und Zwischenspeicherung:
Der effektive Betrieb im PKW ist nur mit Hilfe einer Energierückgewinnung und Zwischenspeicherung möglich. Es wird jeweils ein Konzept zur elektrischen und hydraulischen Energiezwischenspeicherung vorgestellt.
2)Erweiterung der aktiven Luftfeder um eine Luftdämpfung:
Die Bedämpfung der Radeigenfrequenz erfolgt über eine Luftdämpfung. Es wird gezeigt, inwieweit sich die Luftdämpfung im Zusammenspiel mit der aktiven Beeinflussung des Fahrzeugaufbaues hierfür einsetzen lässt und welche Regelkonzepte hierfür notwendig sind.
3)Überprüfung der Dauerfestigkeit:
Die Verschiebung der Segmente beansprucht den Balg lokal stark, teilweise treten Druckspannungen auf, beides führt zur Zerstörung des Balges. Mit Hilfe eines detaillierten nichtlinearen FE-Modells des Balges werden geeignete Designs für die Segmente und den Kolben gefunden, sodass ein Betrieb im KFZ ohne Zerstörung des Balges möglich ist. Dafür wird das Ändern der wirksamen Fläche A simuliert und die resultierenden Fadenkräfte ausgewertet. Die besten Designs werden am Prüfstand getestet. Es wird ein Design vorgestellt, welches den Betrieb der Segmentverschiebung ermöglicht.
4)Regelung:
Regelungen für aktive Federn (aktive Aufbaubeeinflussung, passive Bedämpfung der Radeigenfrequenz) sind ebenso bekannt wie Regelungen für Semiaktive Luftfederdämpfer. Die Kombination von beidem ist noch nicht erforscht. Es wird in dieser Arbeit ein Regelkonzept vorgestellt, welches den kombinierten Einsatz einer Luftdämpfung und einer aktiven Luftfeder ermöglicht.

Das vorgestellte Konzept des aLFD sowie die Regelung sind im 5-Körper-Fahrzeug-Modell untersucht und bewertet. Abschließend wird in dieser Arbeit die Frage beantwortet, in welchem Rahmen der Einsatz des aLFD im KFZ sinnvoll ist.

Der zukünftige „Mehrwert“ von PKW-Achsen wird zunehmend durch den Einsatz elektronischer Regelsysteme erzielt. Die Entwicklung solcher „mechatronischer“ PKW- Achsen erfordert den Einsatz eines Prüfsystems, das eine Prüfung der Achse als Gesamtsystem ermöglicht. Aktive Stellglieder und ihre Interaktion mit anderen Komponenten können so ohne aufwändige Versuchsfahrten realitätsnah getestet werden. Im mechatronischen Entwurfsprozess hat sich der Einsatz von Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HiL-Simulationen) etabliert. Sie ermöglichen den Test von realen Komponenten in Echtzeit, ohne dass ein Aufbau des Gesamtsystems erforderlich ist. Auch im Hinblick auf die Entwicklung mechatronischer Achsen ist der Einsatz der HiL-Technik sinnvoll.
Derzeit am Markt verfügbare Prüfstände für PKW-Achsen werden vorwiegend für Nachfahrversuche mit gemessenen oder gezielt im Vorfeld generierten Anregungsprofilen eingesetzt. Sie eignen sich jedoch nicht direkt für die Einbindung in eine HiL-Simulation. Die Gründe dafür liegen in ihrem strukturellen Aufbau und der zu geringen Bandbreite des geregelten Systems. Bisher wurden in iterativen Prozessen Vorsteuerungen für die gegebenen Anregungssignale optimiert, um die für die Nachfahrversuche erforderliche Bandbreite zu erreichen. Diese Vorgehensweise eignet sich jedoch nicht für den Test „mechatronischer“ Achsen und ihrer Regelsysteme, da für diese Systeme die Reaktionen am Radträger von der jeweiligen Regelung der aktiven Komponenten abhängen und somit im Vorfeld nicht bekannt sind.
Ein neu entwickeltes Konzept für die HiL-Simulation „mechatronischer“ PKW-Achsen sieht die Verwendung eines Prüfstands vor, der das Aufbringen von Kräften und Momenten bzw. Wegen und Winkeln in allen Freiheitsgraden am Radträger erlaubt. Dazu sind parallelkinematische Anregungseinheiten in Form von hydraulischen Hexapoden mit einem vertikalen Maximalhub von ca. 170 mm vorgesehen. Diese sind so zu regeln, dass eine Anregung mit der für die HiL-Simulation erforderlichen Bandbreite von ca. 80 Hz im Kleinsignalbereich (<1mm) möglich ist.
Geeignete Regelstrategien wurden modellbasiert untersucht, müssen aber noch am Prüfstand erprobt werden. Das Regelkonzept für die Hexapoden setzt eine möglichst breitbandige Aktorik, Sensorik und digitale Signalverarbeitung voraus, um den Phasenabfall im offenen Regelkreis zu minimieren und somit die Bandbreite des geschlossenen Regelkreises zu optimieren. Die hydraulischen Aktoren wurden deshalb unter Berücksichtigung des gewählten Regelungskonzepts ausgelegt. Insbesondere auch die Messverstärker und die Komponenten zur Signalverarbeitung wurden hinsichtlich möglichst großer Bandbreite ausgewählt.
Im Fokus des geplanten Artikels steht die Vorstellung des neuartigen Prüfstandskonzepts für die HiL-Simulation mechatronischer PKW-Achsen. Einleitend werden der Aufbau und die Funktionsweise bisher verfügbarer Prüfstände und die damit verbundene Problematik für den Einsatz in der HiL-Simulation dargelegt. Weiterhin wird der Stand der Technik für die Regelung von Parallelkinematiken mit hydraulischen Aktoren diskutiert. Im Hauptteil wird das Konzept für einen Prüfstand zur HiL-Simulation mechatronischer PKW-Achsen vorgestellt. Dieses umfasst den Gesamtaufbau sowie die Auswahl der Aktorik, Sensorik und Informationsverarbeitung im Hinblick auf das Regelkonzept. Die modellbasierte Absicherung des Konzepts wird erläutert, mit den Schwerpunkten Modellbildung, Regelung und Simulation. Die vorgestellten Simulationsergebnisse werden hinsichtlich der Verwendbarkeit des Prüfstands für die HiL-Simulation „mechatronischer“ PKW-Achsen analysiert. Abschließend werden die wesentlichen Erkenntnisse zusammengefasst und die erforderlichen Arbeiten für die Zukunft daraus abgeleitet.

Due to the capacity of continuous speed ratio change and high-power transfer, hydro-mechanical transmission owns wide prospect in the market of high-power vehicle. In order to speed up its application, research on the speed ratio follow-up control for hydro-mechanical transmission becomes more and more important and valuable. Based on the principle analysis on geometric type hydro-mechanical transmission, the speed ratio equation and the range-shift condition are investigated. Further, the simulation model of vehicle with hydro-mechanical transmission is built by simulation software EASY 5 and the corresponding speed ratio control strategy is designed. Finally, the speed ratio follow-up control effect is analyzed by simulation and experiment. Results show that through the speed ratio follow-up control, the hydro-mechanical transmission can make vehicle engine work under the desired speed no matter how the external load is changed, which can improve the vehicle power and economy performance, greatly.