Konzeptvalidierung einer aktiven Luftfederung im Kontext autonomer Fahrzeuge

Im Rahmen dieser Arbeit wird gezeigt, dass sich aktiv geregelte Feder-Dämpfer-Systeme anbieten, um die steigenden Anforderungen an den Fahrkomfort beim autonomen Fahren zu erfüllen. Durch eine Entkopplung des Fahrgastraums von der Straßenanregung werden der Fahrkomfort gesteigert und das Auftreten von Kinetose verringert. Mit der aktiven Luftfeder der TU Darmstadt - einer Synthese aus Luftfeder und aktiver Federung - wird ein derartiges System konzipiert, entwickelt und ein Funktionsprototyp im Versuch validiert. Der Grundgedanke ist, die Vorteile einer konventionellen Luftfederung mit denen eines aktiven Systems zu kombinieren. Die aktive Luftfeder ist teiltragend und die Kraftstellung erfolgt durch eine Verstellung der tragenden (druckeffektiven) Fläche der Luftfeder im Betrieb mit hydraulischen Aktoren. Diese sind in die Abrollkolben der Luftfeder integriert und arbeiten mit einer Eckfrequenz von ca. 5 Hz. Ausgehend von der Frage nach der optimalen vertikaldynamischen Schwingungsminderung, wird zunächst ein Verfahren erarbeitet, um Vertikaldynamiksysteme bereits in einer frühen Phase der Entwicklung im Spannungsfeld zwischen Funktion und Aufwand bewerten zu können. Hierfür wird die Maximierung von Fahrkomfort und Fahrsicherheit als mathematisches Optimierungsproblem - der Minimierung der H2-Norm der Übertragungsfunktionen der Aufbaubeschleunigung und der Radlastschwankung - formuliert. Basierend auf den theoretischen Voruntersuchungen wird ein Prototyp der aktiven Luftfeder entwickelt. Um diesen unter möglichst realistischen Bedingungen im Experiment zu untersuchen, werden Hardware-in-the-Loop-Versuche durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Fahrkomfort bei der Fahrt auf einer Bundesstraße mit 100 km/h bei verbesserter Fahrsicherheit um ca. 35 % gesteigert wird.

In the context of this work, it is shown that actively controlled spring-damper systems can be used to fulfil the increasing demands on driving comfort during autonomous driving. By decoupling the passenger compartment from the road excitation, driving comfort is increased and the incidence of kinetosis is reduced. With the active air spring of the TU Darmstadt - a synthesis of air spring and active suspension - such a system is designed, developed and a functional prototype validated in a test. The basic idea is to combine the advantages of conventional air suspension with those of an active system. The active air spring is partially load-carrying and the force is applied by adjusting the load-carrying (pressure-effective) area of the air spring during operation with hydraulic actuators. These are integrated into the rolling pistons of the air spring and operate at an edge frequency of approximately 5 Hz. Based on the question of the optimal vertical dynamic oscillation mitigation, a method is first developed to evaluate vertical dynamic systems in an early phase of development in the conflicting field between function and effort. For this purpose, the maximization of driving comfort and safety is formulated as a mathematical optimization problem - the minimization of the H2 standard of the transfer functions of the body acceleration and the wheel load fluctuation. Based on the theoretical preliminary investigations, a prototype of the active air spring is developed. Hardware-in-the-loop tests are carried out in order to investigate it under realistic experimental conditions. It is shown that driving comfort on a federal road at 100 km/h is increased by approximately 35 % with improved driving safety.