DE102008015795A1

DE102008015795A1 - Aktives Fahrwerkstabilisierungsystem

Info

Publication number: DE102008015795A1
Application number: DE102008015795A
Authority: DE
Inventors: Stephan Walentowski
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein aktives Fahrwerkstabilisierungssystem (10) mit einem Hydraulikkreis (56), der eine Pumpe (48) aufweist und mit rheologischem Hydraulikfluid befüllt ist, einem Vorderachsenaktuator (14), der zwei Arbeitskammern (16, 18) umfaßt, welche an den Hydraulikkreis (56) angeschlossen sind, sowie einem Hinterachsaktuator (20), der zwei Arbeitskammern (22, 24) umfaßt, welche ebenfalls an den Hydraulikkreis (56) angeschlossen sind, wobei der Hydraulikkreis (56) mehrere rheologische Durchflußsteuereinrichtungen (54) aufweist, mit denen sich der Hydraulikdruck in den Arbeitskammern (16, 18, 22, 24) der Aktuatoren (14, 20) einstellen läßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives, hydraulisches Fahrwerkstabilisierungssystem.
Solche aktiven Systeme zur Stabilisierung eines Fahrwerks kommen bei modernen Kraftfahrzeugen aus Sicherheits- und Komfortgründen zunehmend zum Einsatz und werden in der Regel mittels mechanischer Ventile gesteuert.
Neben diesen aktiven Fahrwerkstabilisierungssystemen sind aus dem Stand der Technik auch passive bzw. semiaktive Dämpfer bekannt, bei denen ein Fluidfluß nicht mittels mechanischer Ventile, sondern mittels rheologischer Flüssigkeitsventile gesteuert wird. So zeigt beispielsweise die EP 0 965 006 B1 einen Dämpfer mit linear beweglichem Kolben, wobei der Kolben ein sog. magnetorheologisches Flüssigkeitsventil umfaßt.
Darüber hinaus ist in der DE 101 31 799 A1 ein kombiniertes Feder-Dämpfersystem offenbart, bei dem zwischen einem Verdränger und einem Hydrospeicher ein Durchflußleitungsabschnitt vorgesehen ist, in dem ein elektrisches Feld aufgebaut werden kann. Die Systemflüssigkeit ist in diesem Fall ein elektrorheologisches Fluid mit steuerbarer Viskosität. Dies bedeutet, daß das Hydraulikfluid mit zunehmender elektrischer Leistungseinspeisung zäher und folglich die Systemdämpfung größer wird. Damit kann die federnde und die dämpfende Kraft des kombinierten Feder-Dämpfersystems ohne mechanische Mittel konstant gehalten oder gezielt variiert werden. Obwohl sich diese Druckschrift schwerpunktmäßig mit den beschriebenen passiven bzw. semiaktiven Feder-Dämpfersystemen befaßt, wird beiläufig bereits darauf hingewiesen, daß eine Zuleitung, welche eigentlich nur zur Befüllung des Feder-Dämpfersystems mit Systemflüssigkeit gedacht ist, auch an eine Pumpe angeschlossen werden kann, um dem Verdränger Systemflüssigkeit zuzuführen oder zu entnehmen. Das Feder-Dämpfersystem kann nunmehr als aktiv bezeichnet werden, da über eine gezielte Zu- oder Ableitung von Systemflüssigkeit eine Zusatzkraft generierbar ist. Wie der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen ist, bezieht sich die DE 101 31 799 A1 jedoch lediglich auf eine einfache Radaufhängung, also auf ein Fahrzeugrad, das mittels des beschriebenen Feder-Dämpfersystems an einem Fahrzeugaufbau abgestützt ist. Auf komplexe hydraulische Systeme, beispielsweise zur Fahrwerkstabilisierung, insbesondere zur aktiven Fahrwerkstabilisierung wird in dieser Druckschrift nicht eingegangen.
Im übrigen war bis in die jüngste Vergangenheit unklar, ob und gegebenenfalls wie die Eigenschaften von elektro- oder magnetorheologischen Flüssigkeiten durch die Umwälzung in den Hochdruckpumpen aktiver Hydrauliksysteme über die Zeit beeinflußt werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines wartungsarmen aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems, das besonders kompakt und einfach aufgebaut ist sowie einen minimalen mechanischen Verschleiß aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein aktives Fahrwerkstabilisierungssystem mit einem Hydraulikkreis gelöst, der eine Pumpe aufweist und mit rheologischem Hydraulikfluid befüllt ist, einem Vorderachsaktuator, der zwei Arbeitskammern umfaßt, welche an den Hydraulikkreis angeschlossen sind, sowie einem Hinterachsaktuator, der zwei Arbeitskammern umfaßt, welche ebenfalls an den Hydraulikkreis angeschlossen sind, wobei der Hydraulikkreis mehrere rheologische Durchflußsteuereinrichtungen aufweist, mit denen sich der Hydraulikdruck in den Arbeitskammern der Aktuatoren einstellen läßt. Durch diese rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen können traditionelle mechanische Hydraulikventile ersetzt werden. Eine reduzierte Anzahl mechanischer Ventile führt zu einem wartungsärmeren System, da die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen keinem, bzw. lediglich einem minimalen, vernachlässigbaren Verschleiß unterliegen. Insbesondere die bewegten Ventilteile (beispielsweise Schließkörper) traditioneller mechanischer Hydraulikventile sind mechanischer Reibung und damit Materialverschleiß ausgesetzt. Dies zieht einen gewissen Wartungs- und/oder Reparaturaufwand nach sich, da abgenutzte, beschädigte oder gebrochene Ventilteile in der Regel eine Leistungsminderung verursachen, was in seltenen Fällen bis hin zu einem Systemausfall führen kann. Darüber hinaus ist den bewegten Ventilteilen mechanischer Ventile jeweils eine bestimmte Eigenfrequenz zugeordnet, so daß ein herkömmlicher Ventilblock mit mehreren Hydraulikventilen eine Vielzahl unterschiedlicher Eigenfrequenzen aufweist. Bei der Anregung eines Ventils in seiner Eigenfrequenz kann das oszillierende Ventilteil zu Leistungsverlusten führen oder gar eine Fehlfunktion des gesamten Systems auslösen. Derartige Probleme sind bei rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen nicht zu erwarten, da sie keinerlei bewegte Bauteile aufweisen.
In einer Ausführungsform des Fahrwerkstabilisierungssystems sind die Aktuatoren als Zylinder/Kolben-Einheiten ausgebildet, wobei der einen Arbeitskammer jeder Zylinder/Kolben-Einheit eine erste druckbeaufschlagbare Kolbenfläche und der anderen Arbeitskammer jeder Zylinder/Kolben-Einheit eine zweite druckbeaufschlagbare Kolbenfläche zugeordnet ist.
Das Flächenverhältnis der ersten druckbeaufschlagbaren Kolbenfläche zur zweiten druckbeaufschlagbaren Kolbenfläche beträgt dabei vorzugsweise etwa 2:1. Durch dieses Flächenverhältnis ist eine besonders einfache Ansteuerung des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems möglich, da bei einer Beaufschlagung der beiden Arbeitskammern eines Aktuators mit identischem Fluiddruck bereits eine Aktuatorkraft generiert wird. Infolge dieser Ansteuerung sind weniger mechanische Ventile und/oder rheologische Durchflußsteuereinrichtungen notwendig, so daß sich der Systemaufbau insgesamt vereinfacht.
Vorzugsweise ist in den Vorderachsaktuator und in den Hinterachsaktuator jeweils wenigstens eine rheologische Durchflußsteuereinrichtung integriert. Diese integrierte Bauweise erlaubt einerseits die geschützte Unterbringung der rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen im Innern des Aktuators und führt andererseits zu einem insgesamt sehr kompakten, aktiven Fahrwerkstabilisierungssystem.
Beispielsweise kann der Hydraulikkreis genau fünf rheologische Durchflußsteuereinrichtungen aufweisen.
In einer speziellen Ausführungsform sind dabei zwei rheologische Durchflußsteuereinrichtungen in den Vorderachsaktuator und drei rheologische Durchflußsteuereinrichtungen in den Hinterachsaktuator integriert. Die Minimierung der Anzahl der insgesamt benötigten Durchflußsteuereinrichtungen (umfassend mechanische Ventile sowie rheologische Durchflußsteuereinrichtungen) führt zu einer einfachen, kompakten und preiswerten Bauweise. Falls sich die meisten, vorzugsweise alle Durchflußsteuereinrichtungen in die Aktuatoren integrieren lassen, kann die bisher übliche hydraulische Steuereinrichtung (inklusive des Ventilblocks) entfallen. Das Fahrwerkstabilisierungssystem vereinfacht sich dadurch weiter und wird noch kompakter.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind alle im Hydraulikkreis vorgesehenen Durchflußsteuereinrichtungen als rheologische Durchflußsteuereinrichtungen ausgebildet. Damit ist dieses Fahrwerkstabilisierungssystem äußerst verschleiß- und wartungsarm sowie besonders unanfällig bei einer Schwingungsanregung mit unterschiedlichen Frequenzen.
In einer anderen Ausführungsform weist der Hydraulikkreis ein mechanisches Ausfallsicherheitsventil auf. Durch dieses mechanische Ventil wird auf traditionelle Weise auch dann ein sicheres, untersteuerndes Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs erzielt, wenn das aktive Fahrwerkstabilisierungssystem ausfällt.
Vorzugsweise ist das Ausfallsicherheitsventil ein 4/2-Wegeventil, welches in einer Grundstellung seine vier Ventilanschlüsse jeweils gedrosselt miteinander verbindet. Die Drosseln verhindern dabei einen raschen Fluidaustausch zwischen den Arbeitskammern eines Aktuators, so daß sich auch bei einem Systemausfall noch eine passive Stabilisatorwirkung einstellt. Gleichzeitig erlauben die Drosseln einen allmählichen Druckausgleich zwischen den Arbeitskammern, wodurch sich der Fahrzeugaufbau mit der Zeit in eine gewünschte neutrale Lage bewegt.
Das Ausfallsicherheitsventil ist dabei vorzugsweise dem Vorderachsaktuator zugeordnet, um bei einem Systemausfall mittels der oben beschriebenen, passiven Stabilisatorwirkung ein untersteuerndes Fahrzeugverhalten sicherzustellen.
In einer Ausführungsvariante ist das Ausfallsicherheitsventil durch zwei rheologische Durchflußsteuereinrichtungen vorgesteuert.
Vorzugsweise sind an den Hydraulikkreis wenigstens zwei Drucksensoren angeschlossen.
Insbesondere kann dabei dem Vorderachsaktuator ein Absolutdrucksensor und dem Hinterachsaktuator ein Differenzdrucksensor zugeordnet sein. Hinsichtlich der Drucksensorik stellt diese Ausführung dabei die absolute Minimalanforderung des Fahrwerkstabilisierungssystems dar. Aus Gründen der Redundanz und Systemsicherheit ist es daher unter Umständen erforderlich und vorteilhaft, weitere Drucksensoren vorzusehen.
Prinzipiell können die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen, magnetorheologische Durchflußsteuereinrichtungen und das rheologische Fluid ein magnetorheologisches Fluid sein.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, daß die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen elektrorheologische Durchflußsteuereinrichtungen sind, und daß das rheologische Fluid ein elektrorheologisches Fluid ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 den hydraulischen Schaltplan eines bekannten aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems gemäß dem Stand der Technik;
2 den hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 den hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
4 den hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems gemäß einer dritten Ausführungsform.
Die 1 zeigt den Schaltplan eines aus dem Stand der Technik bekannten, aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10' mit einem Druckregelkreis 12, einem Vorderachsaktuator 14, der zwei Arbeitskammern 16, 18 umfaßt, und einem Hinterachsaktuator 20, der zwei Arbeitskammern 22, 24 umfaßt. Die beiden Arbeitskammern 16, 18 des Vorderachsaktuators 14 sind durch jeweils eine Versorgungsleitung 26, 28 an den Druckregelkreis 12 angeschlossen, wobei jede Versorgungsleitung 26, 28 ein Druckminderventil 30, 32 aufweist. Die beiden Arbeitskammern 22, 24 des Hinterachsaktuators 20 sind jeweils zwischen dem Vorderachsaktuator 14 und den Druckminderventilen 30, 32 an eine zugeordnete Versorgungsleitung 26, 28 angeschlossen. Der Anschluß der beiden Arbeitskammern 22, 24 des Hinterachsaktuators 20 an die Versorgungsleitung 26, 28 erfolgt dabei durch zwei Hinterachsleitungen 34, 36. Gemäß 1 ist die Zuordnung der Arbeitskammern 16, 18, 22, 24 über die Versorgungsleitungen 26, 28 und die Hinterachsleitungen 34, 36 so ausgeführt, daß die linke Arbeitskammer 22 des Hinterachsaktuators 20 mit der linken Arbeitskammer 16 des Vorderachsaktuators 14 und die rechte Arbeitskammer 24 des Hinterachsaktuators 20 mit der rechten Arbeitskammer 18 des Vorderachsaktuators 14 gekoppelt ist.
Außerdem ist in jeder Hinterachsleitung 34, 36 jeweils ein Druckminderventil 38, 40 vorgesehen, welches den Druck in der jeweiligen Arbeitskammer 22, 24 des Hinterachsaktuators 20 gegenüber dem Druck in der jeweils zugeordneten Arbeitskammer 16, 18 des Vorderachsaktuators 14 verringern kann.
Das aktive Fahrwerkstabilisierungssystem 10' gemäß 1 umfaßt ferner ein Ausfallsicherheitsventil 42, das zwischen dem Vorderachsaktuator 14 und den Anschlußstellen 44, 46 der Arbeitskammern 22, 24 des Hinterachsaktuators 20 an die Versorgungsleitungen 26, 28 angeschlossen ist. Bei einem Systemfehler oder einem Ausfall des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10' nimmt das Ausfallsicherheitsventil 42 seine in 1 gezeigte Grundstellung ein, in der die Ventilanschlüsse jeweils gedrosselt miteinander verbunden sind, so daß an der Vorderachse eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) im wesentlichen eine passive Fahrwerkstabilisierung stattfindet. Bei normaler Funktion des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10' wird das Ausfallsicherheitsventil 42 in eine Öffnungsstellung geschaltet, in der es einen Hydraulikfluidfluß in den Versorgungsleitungen 26, 28 nicht behindert.
Der bereits erwähnte Druckregelkreis 12 umfaßt in der Systemausführung gemäß 1 eine Pumpe 48, ein Fluidreservoir 50 und ein Druckbegrenzungsventil 52. Der Druckregelkreis 12 begrenzt damit den von der Pumpe 48 zur Verfügung gestellten Systemdruck auf einen konstanten, vorbestimmbaren Maximalwert P₁.
Um in den Arbeitskammern 16, 18 des Vorderachsaktuators 14 einen gewünschten, gegenüber P₁ abgeminderten Druck zu erhalten, wird in den Druckminderventilen 30, 32 der Versorgungsleitungen 26, 28 jeweils eine Druckdifferenz eingestellt. Dabei werden die Drücke in den Arbeitskammern 16, 18 zur aktiven Fahrwerkstabilisierung an der Vorderachse so gesteuert, daß sich der Vorderachsaktuator 14 verlängert oder verkürzt, wodurch ein der Vorderachse zugeordneter Stabilisator tordiert wird. Um beispielsweise den Vorderachsaktuator 14 zu verkürzen, wird in der linken Arbeitskammer 16 ein Druck P₂ eingestellt, wohingegen die rechte Arbeitskammer 18 im Vergleich zum Druck P₂ mit einem deutlich niedrigeren Druck beaufschlagt oder sogar drucklos geschaltet wird. In ähnlicher Weise funktioniert die Ansteuerung des Hinterachsaktuators 20 mittels der Druckminderventile 38, 40. Da allerdings die Druckminderventile 38, 40 des Hinterachsaktuators 20 den Druckminderventilen 30, 32 des Vorderachsaktuators 14 nachgeschaltet sind, ergibt sich die Besonderheit, daß der Druck in der jeweiligen Arbeitskammer 22, 24 des Hinterachsaktuators 20 stets kleiner oder gleich dem Druck in der jeweils zugeordneten Arbeitskammer 16, 18 des Vorderachsaktuators 14 ist. Durch diese vorteilhafte Schaltung der Aktuatoren 14, 20 wird jederzeit ein untersteuerndes Fahrverhalten sichergestellt.
Die 2 offenbart den hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Diese erste Ausführungsform entspricht funktional im wesentlichen dem bekannten aktiven Fahrwerkstabilisierungssystem 10' gemäß dem Stand der Technik, wobei einander entsprechende Bauteile identische Bezugszeichen tragen. Bezüglich der allgemeinen Funktionsweise des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 wird auf die obige Beschreibung zu 1 verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Strukturell unterscheidet sich die erste Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 dadurch von der bekannten Ausführung gemäß 1, daß bis auf das Ausfallsicherheitsventil 42 alle weiteren mechanischen Ventile 30, 32, 38, 40, 52 durch rheologische Durchflußsteuereinrichtungen 54 ersetzt wurden.
Entsprechend zeigt die 2 ein aktives Fahrwerkstabilisierungssystem 10 mit einem Hydraulikkreis 56, der die Pumpe 48 aufweist und mit rheologischem Hydraulikfluid befüllt ist, dem Vorderachsaktuator 14, der die zwei Arbeitskammern 16, 18 umfaßt, welche an den Hydraulikkreis 56 angeschlossen sind, sowie dem Hinterachsaktuator 20, der die zwei Arbeitskammern 22, 24 umfaßt, welche ebenfalls an den Hydraulikkreis 56 angeschlossen sind, wobei der Hydraulikkreis 56 mehrere rheologische Durchflußsteuereinrichtungen 54 aufweist, mit denen sich der Hydraulikdruck in den Arbeitskammern 16, 18, 22, 24 der Aktuatoren 14, 20 einstellen läßt.
Als rheologische Durchflußsteuereinrichtung 54 werden dabei hydraulische Bauteile bezeichnet, die den Fluidfluß in einer Hydraulikleitung abhängig von einer elektrischen oder magnetischen Feldstärke Fs gezielt beeinflussen können. Bei einer Befüllung des Hydraulikkreises 56 mit einem elektrorheologischen Fluid werden dabei elektrorheologische Durchflußsteuereinrichtungen 54 verwendet während bei einer Befüllung des Hydraulikkreises 56 mit magnetorheologischem Fluid entsprechend magnetorheologische Durchflußsteuereinrichtungen 54 zum Einsatz kommen. In beiden Fällen ist die generelle Wirkungsweise so, daß sich mit wachsender, an der rheologischen Durchflußsteuereinrichtung 54 anliegender elektrischer bzw. magnetischer Feldstärke Fs die Viskosität des rheologischen Fluids erhöht und der Fluiddurchfluß dementsprechend sinkt. Bei geeigneter Ausführung (z. B. durch Integration einer Blende) läßt sich die rheologische Durchflußsteuereinrichtung 54 auch so einstellen, daß der Durchfluß bei maximaler Feldstärke Fs komplett gesperrt ist. Die genaue Konstruktion und Funktionsweise von derartigen rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 ist bereits im Stand der Technik ausführlich beschrieben, weshalb darauf im folgenden nicht weiter eingegangen wird.
In der ersten Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 gemäß 2 werden insgesamt acht rheologische Durchflußsteuereinrichtungen 54 zur Drucksteuerung in den Aktuatoren 14, 20 und zwei rheologische Durchflußsteuereinrichtungen 54 zur Vorsteuerung des Ausfallsicherheitsventils 42 eingesetzt. Um die einzelnen Durchflußsteuereinrichtungen 54 auseinanderhalten zu können, werden deren Bezugszeichen im folgenden durch Kleinbuchstaben (vgl. 2 bis 4) ergänzt, wobei identische Kleinbuchstaben auf gleiche Durchflußsteuereinrichtungen 54 mit identischer Feldstärkenansteuerung hinweisen.
In die Versorgungsleitung 28 der Arbeitskammer 18 des Vorderachsaktuators 14 ist eine Durchflußsteuereinrichtung 54a geschaltet. Von dieser Versorgungsleitung 28 zweigt eine Rücklaufleitung 58 zum Fluidreservoir 50 ab, in der eine weitere Durchflußsteuereinrichtung 54b vorgesehen ist. Darüber hinaus ist in der Versorgungsleitung 26 der Arbeitskammer 16 des Vorderachsaktuators 14 eine zweite Durchflußsteuereinrichtung 54b und in einer zum Fluidreservoir 50 abzweigenden Rücklaufleitung 60 eine zweite Durchflußsteuereinrichtung 54a vorgesehen. Wie bereits erläutert, werden die beiden Durchflußsteuereinrichtungen 54a identisch angesteuert, d. h. bezüglich Ansteuerzeitpunkt als auch Feldstärke, ebenso wie die zwei Einrichtungen 54b.
Die Hinterachsleitung 34 für die Arbeitskammer 22 des Hinterachsaktuators 20 weist eine Durchflußsteuereinrichtung 54c und die Hinterachsleitung 36 für die Arbeitskammer 24 des Hinterachsaktuators 20 eine Durchflußsteuereinrichtung 54d auf. Von der Hinterachsleitung 34 zweigt eine Rücklaufleitung 62 zum Fluidreservoir 50 ab, in der eine Durchflußsteuereinrichtung 54e vorgesehen ist. Analog zweigt von der Hinterachsleitung 36 eine Rücklaufleitung 64 zum Fluidreservoir 50 ab, in die eine Durchflußsteuereinrichtung 54f geschaltet ist.
Zur Generierung einer Kraft F_V1 am Vorderachsaktuator 14 (vgl. 2) wird an den Durchflußsteuereinrichtungen 54a, 54c jeweils ein (magnetisches oder elektrisches) Feld angelegt, wobei die Feldstärken Fs identisch sind (Fs_a = Fs_c).
Infolgedessen entsteht an den Durchflußsteuereinrichtungen 54a, 54c ein erhöhter Durchflußwiderstand, der zu einem Druckanstieg in der Arbeitskammer 16 des Vorderachsaktuators 14 führt. In der Arbeitskammer 18 des Vorderachsaktuators 14 findet hingegen kein Druckaufbau statt, da ein durch die Durchflußsteuereinrichtung 54a der Versorgungsleitung 28 gedrosselter Volumenstrom weitgehend drucklos über die Durchflußsteuereinrichtung 54b (mit geringem Durchflußwiderstand) der Rücklaufleitung 58 zum Fluidreservoir 50 abströmen kann.
In der Arbeitskammer 22 des Hinterachsaktuators 20 findet ebenfalls kein Druckaufbau statt, da ein durch die Durchflußsteuereinrichtung 54c gedrosselter Volumenstrom ohne nennenswerten Druckaufbau über den geringen Durchflußwiderstand der Durchflußsteuereinrichtung 54e zum Fluidreservoir 50 abströmen kann. In der Arbeitskammer 24 des Hinterachsaktuators 20 kann schon deshalb kein erhöhter Druck entstehen, weil die Hinterachsleitung 36 von der Versorgungsleitung 28 der Arbeitskammer 18 abzweigt, die wie zuvor beschrieben im wesentlichen drucklos ist. Darüber hinaus könnte ein möglicher Volumenstrom auch ohne nennenswerten Druckaufbau in der Arbeitskammer 24 über die geringen Durchflußwiderstände der Durchflußsteuereinrichtungen 54d und 54f zum Fluidreservoir 50 abströmen.
Insgesamt ergibt sich aus der obigen Betrachtung die resultierende Kraft F_V1 am Vorderachsaktuator 14 und keine Aktuatorkraft am Hinterachsaktuator 20.
Um am Vorderachsaktuator 14 eine Kraft F_V1 und am Hinterachsaktuator eine Kraft F_H1 = F_V1 zu erhalten, müssen die Durchflußsteuereinrichtungen 54a und 54e durch Anlegen einer Feldstärke Fs aktiviert werden, wobei die Feldstärke Fs der Durchflußsteuereinrichtung 54a der Feldstärke Fs der Durchflußsteuereinrichtung 54e entspricht (Fs_a = Fs_e).
Zur Sicherstellung eines gewünschten, untersteuernden Fahrverhaltens werden die Aktuatorkräfte jedoch vorzugsweise so gewählt, daß F_V1 > F_H1. In diesem Fall müssen die Durchflußsteuereinrichtungen 54a, 54c und 54e aktiviert werden, wobei für die Feldstärken Fs gilt: Fs_a > Fs_c und Fs_a > Fs_e. Dabei bedeutet Fs_a > Fs_c, daß die an der Durchflußsteuereinrichtung 54a anliegende Feldstärke Fs_a größer als die an der Durchflußsteuereinrichtung 54c anliegende Feldstärke Fs_c gewählt wird. D. h. mit anderen Worten, daß die Durchflußsteuereinrichtung 54a einen höheren Durchflußwiderstand für das rheologische Fluid darstellt als die Durchflußsteuereinrichtung 54c.

Durch analoge Überlegungen lassen sich mittels anderer Schaltkombinationen der rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 noch weitere Aktuatorkräfte F_V2, F_H2 generieren. Für die erste Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 sind sinnvolle Schaltkombinationen in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt:

Anliegende Feldstärke Fs	Fs_a, Fs_c (Fs_a = Fs_c)	Fs_a, Fs_c Fs_e (Fs_a > Fs_c) (Fs_a > Fs_e)	Fs_a, Fs_e (Fs_a = Fs_e)	Fs_b, Fs_d (Fs_b = Fs_d)	Fs_b, Fs_d Fs_f (Fs_b > Fs_d) (Fs_b > Fs_f)	Fs_b, Fs_f (Fs_b = Fs_f)
Resultierende Aktuatorkraft F	F_V1	F_V1, F_H1 (F_V1 > F_H1)	F_V1, F_H1 (F_V1 = F_H1)	F_V2	F_V2, F_H2 (F_V2 > F_H2)	F_V2, F_H2 (F_V2 = F_H2)

Neben den rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54a bis 54f weist der Hydraulikkreis 56 des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 gemäß 2 eine Ausfallsicherheitsventilvorrichtung 66 auf, welche das Ausfallsicherheitsventil 42 und zwei rheologische Durchflußsteuereinrichtungen 54g und 54h umfaßt. Die beiden Durchflußsteuereinrichtungen 54g und 54h übernehmen dabei die Vorsteuerung des Ausfallsicherheitsventils 42 und erfüllen die Funktion mechanischer Pilotventile. In alternativen Ausführungsformen kann das Ausfallsicherheitsventil 42 selbstverständlich auch direkt angesteuert sein.
Im Normalbetrieb des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 befindet sich das Ausfallsicherheitsventil 42 in seiner aktivierten, nach links geschobenen Ventilstellung, in der die Versorgungsleitungen 26, 28 des Vorderachsaktuators 14 ungedrosselt freigegeben sind. Bei einem Systemausfall wird das Ausfallsicherheitsventil 42 durch eine Feder 68 beaufschlagt und nimmt seine sogenannte „Fail-Safe”-Stellung ein. In dieser in 2 dargestellten Fail-Safe-Stellung sind die Arbeitskammern 16, 18 des Vorderachsaktuators 14 gedrosselt miteinander verbunden, so daß sich an der Vorderachse einerseits eine passive Stabilisatorwirkung einstellt, andererseits aber auch ein allmählicher Druckausgleich zwischen den Arbeitskammern 16, 18 des Vorderachsaktuators 14 möglich ist.
Bei einer Störung bzw. einem Ausfall des Fahrwerkstabilisierungssystems 10 sind die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 deaktiviert und weisen lediglich einen geringen Durchflußwiderstand auf. Dementsprechend sind dann die Arbeitskammern 22, 24 des Hinterachsaktuators 20 im wesentlichen ungedrosselt mit dem Fluidreservoir 50 verbunden, so daß eine freie Bewegung des Hinterachsaktuators 20 möglich ist. Infolge dieser freien Bewegungsmöglichkeit des Hinterachsaktuators 20 und der passiven Stabilisatorwirkung an der Vorderachse ergibt sich somit auch bei einem Systemausfall ein gewünschtes, untersteuerndes Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs.
Das Ausfallsicherheitsventil 42 stellt ferner in seiner „Fail-Safe”-Stellung über eine Drossel 70 mit geringem Durchflußwiderstand eine nahezu widerstandslose Verbindung zwischen der Pumpe 48 und dem Fluidreservoir 50 her. Diese Funktion war insbesondere bei der Verwendung mechanischer Ventile (vgl. 1) notwendig, um bei einer Fehlfunktion des Druckbegrenzungsventils 52 einen permanenten Druckaufbau durch die Pumpe 48 zu verhindern. In der Ausführungsform gemäß 2 ist diese nahezu widerstandsfreie Verbindung zwischen der Pumpe 48 und dem Fluidreservoir 50 bereits durch die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 selbst sichergestellt, so daß für diese Funktion kein Ausfallsicherheitsventil 42 nötig wäre.
Wenn auf das Ausfallsicherheitsventil 42 verzichtet wird, ist bei einem Systemausfall weder an der Vorder- noch an der Hinterachse eine Stabilisatorwirkung vorhanden. Dadurch würde sich im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Stabilisatorwirkung der Wankwinkel des Fahrzeugs vergrößern. Bei modernen Fahrwerken verstärkt sich mit zunehmendem Wankwinkel ein Effekt, der als „Rollsteuerung” bezeichnet wird. Durch diese sog. Rollsteuerung wird beim Ein- bzw. Ausfedern eines Fahrzeugrads dessen Spurwinkel so verändert, daß sich insgesamt ein gewünschtes, untersteuerndes Fahrverhalten einstellt.
Zusammenfassend bleibt also festzuhalten, daß die Funktionen der Ausfallsicherheitsventilvorrichtung 66 in der ersten Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 auch anderweitig erfüllt werden. Die Vorrichtung 66 ist somit nicht zwingend notwendig und kann daher in einigen Ausführungsvarianten entfallen.
Bevorzugt sind die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 und die Ausfallsicherheitsventilvorrichtung 66 (falls vorhanden) in einer kompakten hydraulischen Steuereinheit 71 zusammengefaßt, welche in 2 strichpunktiert eingezeichnet ist.
Die 3 zeigt den hydraulischen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10. Verglichen mit der Ausführungsform nach 2 ist der Hydraulikkreis 56 hier stark vereinfacht, da auf die Ausfallsicherheitsventilvorrichtung 66 verzichtet und die Anzahl der rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 minimiert wurde.
Die Aktuatoren 14, 20 sind auch in dieser zweiten Ausführungsform als Zylinder/Kolben-Einheiten ausgebildet, wobei der einen Arbeitskammer 18, 24 jeder Zylinder/Kolben-Einheit eine erste druckbeaufschlagbare Kolbenfläche 72 und der anderen Arbeitskammer 16, 22 jeder Zylinder/Kolben-Einheit eine zweite druckbeaufschlagbare Kolbenfläche 74 zugeordnet ist. Die Summe aus der zweiten Kolbenfläche 74 und der Querschnittsfläche einer Kolbenstange 76 entspricht dabei der ersten Kolbenfläche 72.
Die vereinfachte zweite Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 mit einer minimalen Anzahl von rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen ist nur möglich, wenn sich die ersten und zweiten Kolbenflächen 72, 74 deutlich voneinander unterscheiden, so daß sich bei gleichem Druck in den beiden Arbeitskammern 16, 18 bzw. 22, 24 des Aktuators 14 bzw. 20 eine resultierende Aktuatorkraft ergibt. Dieser Flächenunterschied kann problemlos über die Querschnittswahl der Kolbenstange 76 eingestellt werden. Besonders bevorzugt beträgt dabei das Flächenverhältnis der ersten druckbeaufschlagbaren Kolbenfläche 72 zur zweiten druckbeaufschlagbaren Kolbenfläche 74 etwa 2:1.
In der zweiten Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 gemäß 3 sind dem Vorderachsaktuator 14 die Durchflußsteuereinrichtungen 54a sowie 54b und dem Hinterachsaktuator 20 die Durchflußsteuereinrichtungen 54c, 54d sowie 54e zugeordnet.
Zur Generierung einer Aktuatorkraft F_V2 am Vorderachsaktuator 14 werden die Durchflußsteuereinrichtungen 54b und 54c durch ein elektrisches oder magnetisches Feld aktiviert, wobei die Feldstärken gleich sind (Fs_b = Fs_c). Das von der Pumpe 48 geförderte rheologische Hydraulikfluid wird dann über den niedrigen Durchflußwiderstand der Durchflußsteuereinrichtung 54a gleichmäßig auf beide Arbeitskammern 16, 18 des Vorderachsaktuators 14 verteilt und aufgrund des großen Durchflußwiderstands der Durchflußsteuereinrichtungen 54b und 54c an einem freien Abströmen ins Fluidreservoir 50 gehindert. Dadurch baut sich in den beiden Arbeitskammern 16, 18 ein identischer Hydraulikfluiddruck auf, aus dem wegen der unterschiedlichen Kolbenflächen 72, 74 die Aktuatorkraft F_V2 resultiert.
Am Hinterachsaktuator 20 wird das rheologische Hydraulikfluid, welches die Durchflußsteuereinrichtung 54c (mit hohem Durchflußwiderstand) durchströmt, über die Durchflußsteuereinrichtungen 54d und 54e (mit geringem Durchflußwiderstand) an das Fluidreservoir 50 abgeführt, so daß sich in den Arbeitskammern 22, 24 des Hinterachsaktuators 20 kein nennenswerter Druck aufbaut.

Durch analoge Überlegungen lassen sich mittels anderer Schaltkombinationen der rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 noch weitere Aktuatorkräfte F_V1, F_H1, F_H2 generieren. Für die zweite Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 sind sinnvolle Schaltkombinationen in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt:

Anliegende Feldstärke Fs	Fs_a, Fs_c (Fs_a = Fs_c)	Fs_a, Fs_c Fs_d (Fs_a > Fs_c) (Fs_a > Fs_d)	Fs_a, Fs_d (Fs_a = Fs_d)	Fs_b, Fs_c (Fs_b = Fs_c)	Fs_b, Fs_c Fs_e (Fs_b > Fs_c) (Fs_b > Fs_e)	Fs_b, Fs_e (Fs_b = Fs_e)
Resultierende Aktuatorkraft F	F_V1	F_V1, F_H1 (F_V1 > F_H1)	F_V1, F_H1 (F_V1 = F_H1)	F_V2	F_V2, F_H2 (F_V2 > F_H2)	F_V2, F_H2 (F_V2 = F_H2)

In der zweiten Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 gemäß 3 sind außerdem zwei Drucksensoren 78, 80 zur Überwachung und Steuerung bzw. Regelung des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 eingezeichnet. In Abhängigkeit von den Daten dieser Drucksensoren 78, 80 wird die Feldstärke Fs an den einzelnen Durchflußsteuereinrichtungen 54 eingestellt. Im dargestellten Beispiel sind zwei Drucksensoren 78, 80 an den Hydraulikkreis 56 angeschlossen, wobei der dem Vorderachsaktuator 14 zugeordnete Drucksensor 78 ein Absolutdrucksensor und der dem Hinterachsaktuator 20 zugeordnete Drucksensor 80 ein Differenzdrucksensor ist. Die gezeigte Ausführung stellt dabei das absolute Minimum an Drucksensorik für einen einwandfreien Systembetrieb dar. Selbstverständlich können aus Gründen der Redundanz oder Systemsicherheit noch zusätzliche Drucksensoren vorgesehen werden.
Auch in dieser zweiten Ausführungsform sind die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 sowie die Ausfallsicherheitsventilvorrichtung 66 (falls vorhanden) vorzugsweise in einer kompakten hydraulischen Steuereinheit 71 zusammengefaßt, welche in 3 strichpunktiert dargestellt ist.
Die 4 zeigt einen hydraulischen Schaltplan des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Diese unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform gemäß 3 lediglich dadurch, daß die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen 54 in die Aktuatoren 14, 20 integriert sind. Genau wie in der zweiten Ausführungsform weist der Hydraulikkreis 56 exakt fünf rheologische Durchflußsteuereinrichtungen 54 auf, wobei in den Vorderachsaktuator 14 die beiden Durchflußsteuereinrichtungen 54a sowie 54b und in den Hinterachsaktuator 20 die drei Durchflußsteuereinrichtungen 54c, 54d sowie 54e integriert sind. Genaugenommen sind die Durchflußsteuereinrichtungen 54a und 54d jeweils in einen Kolben 82 der Aktuatoren 14 bzw. 20 integriert und verbinden die jeweils angrenzenden Arbeitskammern 16, 18 bzw. 22, 24 miteinander. Die übrigen Durchflußsteuereinrichtungen 54b, 54c und 54e sind im Bereich der Aktuator-Druckanschlüsse 84 in die axialen Enden der Aktuatoren 14, 20 integriert.
Der besondere Vorteil dieser dritten Ausführungsform liegt in der einfachen und äußerst kompakten Bauweise des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10. Durch die Integration der Durchflußsteuereinrichtungen 54 in die Aktuatoren 14, 20 kann nämlich die bisher übliche hydraulische Steuereinheit 71 komplett entfallen.
Da die Funktionsweisen der zweiten und dritten Ausführungsform des aktiven Fahrwerkstabilisierungssystems 10 im übrigen absolut identisch sind, wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung zu 3 sowie die zugehörige Tabelle mit möglichen Schaltkombinationen verwiesen.
Bei einem Systemausfall sind die Durchflußsteuereinrichtungen 54 deaktiviert und ermöglichen bei geringem Durchflußwiderstand eine direkte Verbindung zwischen der Pumpe 48 und dem Fluidreservoir 50. Genaugenommen bestehen sogar zwei unabhängige Verbindungen von der Pumpe 48 zum Fluidreservoir 50, nämlich zum einen über den Vorderachsaktuator 14 und zum anderen über den Hinterachsaktuator 20. Da eine gleichzeitige Verstopfung beider Verbindungen höchst unwahrscheinlich sein dürfte, ist im wesentlichen sichergestellt, daß bei einem Systemausfall weder am Vorderachsaktuator 14 noch am Hinterachsaktuator 20 eine Stabilisatorwirkung auftritt. Das Fahrzeug wird dadurch wankweicher, wodurch sich die bereits oben beschriebene Rollsteuerung verstärkt. In der Regel reicht dieser Rollsteuerungseffekt aus, um das gewünschte, untersteuernde Fahrverhalten des Fahrzeugs zu gewährleisten. Auf den Einsatz eines Ausfallsicherheitsventils 42 kann daher in der Regel verzichtet werden. Selbstverständlich sind aber auch Varianten der zweiten oder dritten Ausführungsform gemäß den 3 bzw. 4 denkbar, bei denen ein Ausfallsicherheitsventil 42 bzw. eine Ausfallsicherheitsventilvorrichtung 66 gemäß 2 vorhanden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0965006 B1 [0003]
- DE 10131799 A1 [0004, 0004]

Claims

Aktives Fahrwerkstabilisierungssystem mit einem Hydraulikkreis (56), der eine Pumpe (48) aufweist und mit rheologischem Hydraulikfluid befüllt ist, einem Vorderachsaktuator (14), der zwei Arbeitskammern (16, 18) umfaßt, welche an den Hydraulikkreis (56) angeschlossen sind, sowie einem Hinterachsaktuator (20), der zwei Arbeitskammern (22, 24) umfaßt, welche ebenfalls an den Hydraulikkreis (56) angeschlossen sind, wobei der Hydraulikkreis (56) mehrere rheologische Durchflußsteuereinrichtungen (54) aufweist, mit denen sich der Hydraulikdruck in den Arbeitskammern (16, 18, 22, 24) der Aktuatoren (14, 20) einstellen läßt.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (14, 20) als Zylinder/Kolben-Einheiten ausgebildet sind, wobei der einen Arbeitskammer (18, 24) jeder Zylinder/Kolben-Einheit eine erste druckbeaufschlagbare Kolbenfläche (72) und der anderen Arbeitskammer (16, 22) jeder Zylinder/Kolben-Einheit eine zweite druckbeaufschlagbare Kolbenfläche (74) zugeordnet ist.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der ersten druckbeaufschlagbaren Kolbenfläche (72) zur zweiten druckbeaufschlagbaren Kolbenfläche (74) etwa 2:1 beträgt.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Vorderachsaktuator (14) und in den Hinterachsaktuator (20) jeweils wenigstens eine rheologische Durchflußsteuereinrichtung (54) integriert ist.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Vorderachsaktuator (14) zwei rheologische Durchflußsteuereinrichtungen (54a, 54b) und in den Hinterachsaktuator (20) drei rheologische Durchflußsteuereinrichtungen (54c, 54d, 54e) integriert sind.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikkreis (56) genau fünf rheologische Durchflußsteuereinrichtungen (54a, 54b, 54c, 54d, 54e) aufweist.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle im Hydraulikkreis (56) vorgesehenen Durchflußsteuereinrichtungen als rheologische Durchflußsteuereinrichtungen (54) ausgebildet sind.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikkreis (56) ein mechanisches Ausfallsicherheitsventil (42) aufweist.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausfallsicherheitsventil (42) ein 4/2-Wegeventil ist, welches in einer Grundstellung seine vier Ventilanschlüsse gedrosselt miteinander verbindet.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausfallsicherheitsventil (42) dem Vorderachsaktuator (14) zugeordnet ist.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausfallsicherheitsventil (42) durch zwei rheologische Durchflußsteuereinrichtungen (54g, 54h) vorgesteuert ist.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Hydraulikkreis (56) wenigstens zwei Drucksensoren (78, 80) angeschlossen sind.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorderachsaktuator (14) ein Absolutdrucksensor und dem Hinterachsaktuator (20) ein Differenzdrucksensor zugeordnet ist.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen (54) magnetorheologische Durchflußsteuereinrichtungen und das rheologische Fluid ein magnetorheologisches Fluid ist.
Fahrwerkstabilisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die rheologischen Durchflußsteuereinrichtungen (54) elektrorheologische Durchflußsteuereinrichtungen und das rheologische Fluid ein elektrorheologisches Fluid ist.