DE102009042532B4

DE102009042532B4 - Verfahren und Vorrichtung für ein Aufhängungsssystem mit progressivem Widerstand

Info

Publication number: DE102009042532B4
Application number: DE102009042532.2A
Authority: DE
Inventors: William Golpe; Chandra S. Namuduri; Walter B. Cwycyshyn; Nikolai K. Moshchuk
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2029-09-23
Also published as: DE102009042532A1; US20100072685A1; US8439173B2

Abstract

Aufhängungskomponente (100), die umfasst: eine Kolbenstange (104), die ausgebildet ist, um sich in einem Druckrohr (102) hin- und hergehend zu verschieben, das zumindest teilweise mit Hydrauliköl (106) gefüllt ist; eine primäre Kompressions-Ventilbaugruppe (128), die mit der Kolbenstange (104) gekoppelt ist und die mit einer Innenwand des Druckrohrs (102) in gleitendem Kontakt steht; ein sekundäres Durchlassventil (120), das mit der Kolbenstange (104) gekoppelt und der primären Kompressions-Ventilbaugruppe (128) benachbart ist, wobei das sekundäre Durchlassventil (120) mehrere Öffnungen (122) aufweist, um eine Strömung des Hydrauliköls (106) während einer Auslenkung der Kolbenstange (104) aufzunehmen; eine Gasladungskammer (118), die in einem ersten Ende des Druckrohrs (102) vorgesehen ist; eine nichtlineare Feder (116), die der Gasladungskammer (118) benachbart ist; und eine schwebende Kolbenbaugruppe (114), die der nichtlinearen Feder (116) benachbart ist; wobei das sekundäre Durchlassventil (120) und die nichtlineare Feder (116) einen progressiven Widerstand schaffen, wenn die Geschwindigkeit der Kolbenstange (104) bezogen auf das Druckrohr (102) oberhalb eines Schwellenwerts liegt; wobei die nichtlineare Feder (116) eine derartige Höhe aufweist, dass die Kompression der nichtlinearen Feder (116) bei einer maximalen komprimierten Länge der Aufhängungskomponente (100) die statische Last auf die Aufhängungskomponente (100) nicht wesentlich beeinflusst; wobei die nichtlineare Feder (116) eine maximale Höhe aufweist, die nicht größer als das Verhältnis des maximalen ausgelenkten Stangenvolumens für die Aufhängungskomponente (100) und der Fläche der schwebenden Kolbenbaugruppe (114) ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Aufhängungssysteme des Typs, der beispielsweise bei Automobilfahrzeugen verwendet wird. Die Erfindung betrifft insbesondere Dämpfungs- und Stoßdämpfungskomponenten, die in Verbindung mit solchen Systemen verwendet werden.
HINTERGRUND
Kraftfahrzeug-Aufhängungssysteme sind ausgebildet, um Höhenunterschieden in der Straßenoberfläche zu folgen, wenn sich das Fahrzeug bewegt. Wenn eine Bodenwelle oder eine andere Erhöhung in der Straßenoberfläche angetroffen wird, spricht das Aufhängungssystem durch ein „Einfedern” an, einer schnellen Aufwärtsbewegung relativ zu dem Rahmen des Fahrzeugs. Auf ähnliche Weise spricht die Aufhängung, wenn eine Senke in der Straßenoberfläche angetroffen wird, derart durch ein „Ausfedern” an, dass sich das Rad relativ zu dem Rahmen des Fahrzeugs abwärts bewegt.
Sowohl bei einem Einfederungs- als auch einem Ausfederungsereignis sorgt eine Feder (z. B. eine Spiral-, Blatt- oder Torsionsfeder), die an dem Rad eingebaut ist, für ein Ansprechen auf die resultierende vertikale Bewegung. Um jedoch ein Springen des Rades und eine übermäßige Bewegung der Fahrzeugkarosserie zu vermeiden, dämpft ein Dämpfer (d. h. ein Stoßdämpfer, ein Federbein, usw.) an dem Rad diese Bewegung.
Die Konstruktion der Fahrzeugaufhängung war üblicherweise auf das Fahren und die Handhabung fokussiert, da sie eine Relativbewegung der Karosserie und des Rades unter ungefähr 1,5 m/s (Meter pro Sekunde) betrifft. Die Anforderungen bezüglich der Aufhängungsbewegung sind in einem Fahrzeug jedoch hauptsächlich durch heftige Ereignisse bestimmt, die eine signifikante Auslenkung des Rades relativ zu der Karosserie verursachen können. Solche Ereignisse, beispielsweise wenn das Fahrzeug ein tiefes und steilwandiges Schlagloch antrifft, können Radgeschwindigkeiten (relativ zu der Karosserie) von bis zu 9,0 m/s erzeugen.
Ein progressives Dämpfen liefert eine Strategie, um raue Stöße während heftiger Ereignisse zu verringern, und es umfasst allgemein, dass eine vordefinierte Last bei dem Einfedern aufrechterhalten wird und dass der Eingriff in den Einfederungs-Aufhängungsanschlag oder eine andere derartige Struktur verringert wird. Bekannte Systeme mit progressiver Dämpfung waren jedoch bisher nicht erfolgreich, die Herausforderungen, die durch die Straßenbedingungen der realen Welt gestellt werden, vollständig zu behandeln.
Beispielsweise erzeugen die meisten gasbeladenen hydraulischen Dämpfer aufgrund des begrenzten Drucks, der durch die Gasfeder aufrechterhalten wird, einen regressiven Widerstand bei höheren Geschwindigkeiten. Ein erhöhter Gasladungsdruck erhöht die Dichtungsreibung, verringert die Haltbarkeit und erhöht die Rauigkeit während des Fahrens. Darüber hinaus verhindert ein nicht ausreichender Druck unter der Säule des Hydrauliköls während heftiger Straßenereignisse dessen Strömung durch den Kolben, da der schwebende Kolben dazu neigt, sich weiter als nötig zu bewegen, um das sich ändernde Volumen aufzunehmen, was den Dämpfer weniger dazu befähigt, die zugeführte Energie zu absorbieren.
Dementsprechend ist es wünschenswert, Aufhängungssysteme zu schaffen, die unter Routinebedingungen eine akzeptierbare Fahrqualität erzeugen, obgleich sie heftigen Straßenereignissen gerecht werden.
Aus der DE 1 811 222 A ist eine Aufhängungskomponente bekannt, die eine Kolbenstange, die ausgebildet ist, um sich in einem Druckrohr hin- und hergehend zu verschieben, das zumindest teilweise mit Hydrauliköl gefüllt ist, eine primäre Kompressions-Ventilbaugruppe, die mit der Kolbenstange gekoppelt ist und die mit einer Innenwand des Druckrohrs in gleitendem Kontakt steht, ein sekundäres Durchlassventil, das mit der Kolbenstange gekoppelt und der primären Kompressions-Ventilbaugruppe benachbart ist, eine Gasladungskammer, die in einem ersten Ende des Druckrohrs vorgesehen ist, eine Feder, die sich in der der Gasladungskammer befindet, und eine schwebende Kolbenbaugruppe umfasst, die der Feder benachbart ist, wobei das sekundäre Durchlassventil mehrere Öffnungen aufweist, um eine Strömung des Hydrauliköls während einer Auslenkung der Kolbenstange aufzunehmen, und wobei die primäre Kompressions-Ventilbaugruppe und das sekundäre Durchlassventil einen progressiven Widerstand schaffen, wenn die Geschwindigkeit der Kolbenstange bezogen auf das Druckrohr oberhalb eines Schwellenwerts liegt.
In der US 2006/0 011 432 A1 und in der DE 1 176 498 B ist eine ähnliche Aufhängungskomponente beschrieben.
Ferner ist aus der US 2009/0 062 983 A1 ein Verfahren zum Optimieren von Dämpferkenndaten bekannt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Aufhängungskomponente zu schaffen, durch welche die gesamte Einfederungsbewegung eines Fahrzeugs verringert wird, so dass ein gegebenes Fahrzeug niedriger getrimmt werden kann, wodurch konkurrenzfähige Schlüsselmerkmale der Formgebung ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Aufhängungskomponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 6.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung kann durch die Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung und die Ansprüche abgeleitet werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Figuren betrachtet werden, wobei sich gleiche Bezugszeichen überall in den Figuren auf ähnliche Elemente beziehen.
1 zeigt, als Querschnitt, verschiedene innere Komponenten einer beispielhaften Aufhängungskomponente gemäß einer Ausführungsform;
2 zeigt bestimmte Komponenten der Aufhängungskomponente von 1;
3 ist eine qualitative Graphik, welche die Beziehung zwischen der Kraft und der Deformierung für eine beispielhafte nichtlineare Feder zeigt; und
4 ist eine Graphik, die beispielhafte empirische Ergebnisse für eine Aufhängungskomponente gemäß einer Ausführungsform zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung ist nur beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendungsmöglichkeit und Verwendungen der Erfindung einzuschränken. Darüber hinaus besteht keine Absicht, an irgendeine ausdrückliche oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in den vorstehenden Abschnitten Technisches Gebiet, Hintergrund, Kurzzusammenfassung oder der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung dargestellt ist. Die Erfindung kann hierin anhand von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Man sollte einsehen, dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmwarekomponenten realisiert werden können, die ausgebildet sind, um die beschriebenen Funktionen auszuführen. Zu Zwecken der Kürze werden herkömmliche Techniken und Systeme, welche Hydraulik, Fahrzeugdynamik und Aufhängungssysteme betreffen, hierin nicht im Detail beschrieben.
Allgemein sind die verschiedenen Ausführungsformen auf eine Aufhängungskomponente gerichtet, die mittels eines sekundären Durchlassventils, das bei größeren Auslenkungen als eine Unterstützung für das primäre Kompressionsventil wirkt, in Verbindung mit einem sekundären nichtlinearen Federelement einen progressiven Widerstand erreicht, das ausgebildet ist, um bei großen Auslenkungen oder Geschwindigkeiten die Kraft auf den Kolben zu verändern.
1 stellt eine teilweise Querschnittsansicht einer Aufhängungskomponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Fachleute werden verstehen, dass diese Zeichnung hauptsächlich konzeptionell und zu den Zwecken vereinfacht ist, um verschiedene hervorstechende Merkmale der Erfindung darzustellen.
Allgemein umfasst eine Aufhängungskomponente 100 eine Kolbenstange 104, die ausgebildet ist, um sich axial und hin- und hergehend in einem Druckrohr 102 zu bewegen, das im Wesentlichen mit einem Hydrauliköl 106 gefüllt ist. Eine schwebende Kolbenbaugruppe 114 mit einer zugeordneten Dichtung 112, einem sekundären nichtlinearen Federelement (oder „SNS”) 116 und einer Gasladung 118 sind in einem Ende des Druckrohrs 102 vorgesehen.
Gekoppelt und koaxial mit der Kolbenstange 104 sind verschiedene Dämpfungskomponenten, die sich entlang deren Länge bis zu einem entfernten Ende 108 erstrecken. Bei der dargestellten Ausführungsform umfassen diese Komponenten ein sekundäres Durchlassventil/eine sekundäre Durchlassunterstützung (oder „SBV”) 120, einen Kompressions-Ventilstapel 124, ein Kolbenventil 128 und einen Ausfederungs-Ventilstapel 130, von denen alle mittels eines Befestigungselements (z. B. einer Mutter) 110 gesichert sind. Der Kompressions-Ventilstapel 124, der Ausfederungs-Ventilstapel und das Kolbenventil 128 werden hierin manchmal gemeinsam als eine „Kompressions-Ventilbaugruppe” bezeichnet.
Das SBV 120 weist mehrere Öffnungen 122 auf, die sich durch dieses erstrecken. Auf ähnliche Weise weist das Kolbenventil 128 mehrere Öffnungen 126 auf. Ein mehrstufiges anstelle eines einstufigen primären Kompressions-Ventilsystems kann, wie gezeigt, ebenso verwendet werden.
Allgemein gesprochen arbeitet das Kolbenventil 128 in Verbindung mit dem Kompressions-Ventilstapel 124 und dem Ausfederungs-Ventilstapel 130, um die Rate anzupassen, mit der sich das Hydrauliköl 106 während eines Auslenkungsereignisses durch die Öffnungen 126 bewegt. Speziell, wie es bekannt ist, deformieren sich die verschiedenen ringähnlichen Komponenten in dem Kompressions-Ventilstapel 124 elastisch in Ansprechen auf die axiale Kraft, die entlang der Kolbenstange 104 ausgeübt wird, und der Grad der Deformierung steuert, in welchem Ausmaß das Fluid daran gehindert wird, durch die Öffnungen 126 zu strömen, wodurch ein Dämpfungseffekt erzeugt wird.
Wie dargestellt strömt das Hydrauliköl 106 während eines Kompressionsereignisses durch die Öffnungen 126 des Kolbenventils 128 wie auch durch die Öffnungen 122 (Pfad 133) und um den Außendurchmesser des SBV 120 herum (Pfad 131). Zu der gleichen Zeit verschiebt sich die schwebende Kolbenbaugruppe 114 in der Basis des Druckrohrs 102 in Ansprechen auf den hydrodynamischen Druck des Hydrauliköls 106 aufwärts und abwärts, und sie wird sowohl durch das SNS 116 als auch durch die Gasladung 118 zurückgehalten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein progressiver Widerstand durch die Aufhängungskomponente 100 aufgrund des Wechselspiels des SBV 120 und des SNS 116 geschaffen.
Insbesondere ist das SBV 120 derart ausgebildet, dass: (1) während normaler Fahrsteuerungsbedingungen das SBV 120 und seine Öffnungen 122 als eine Unterstützung für das Kompressionsventil 124 wirken, aber einer ausreichenden volumetrischen Rate des Hydrauliköls 106 erlauben, durch diese hindurchzuströmen, so dass das SBV 120 selbst keinen signifikanten Widerstand gegenüber der Bewegung erzeugt; und (2) während extremer Bedingungen mit großen Kräften das SBV 120 als eine Unterstützung für den Kompressions-Ventilstapel 124 wirkt, die Deformierung der Ventilkomponenten aufgrund seiner relativ hohen Steifigkeit verringert und die Bewegung des Hydrauliköls einschränkt.
Gleichzeitig ist das SNS 116 ausgebildet, um den effektiven Druck auf die Kolbenstange 104 während Ereignissen mit großer Auslenkung dynamisch und nichtlinear zu verändern. Momentan auf 3 Bezug nehmend, ist eine beispielhafte Kraft/Kompressionskurve für eine nichtlineare Feder dargestellt, die in dem Kontext der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Wie man sehen kann, steigt die Kraft, die durch die nichtlineare Feder geliefert wird, anders als bei herkömmlichen linearen Federn bei großen Kompressionen sehr schnell an. Das SNS 116 kann in die schwebende Kolbenbaugruppe 114 integriert sein, oder es kann ein vollständig separates Element sein. Die Höhe des SNS 116 wird vorzugsweise derart gewählt, dass die Federkompression bei einer maximalen komprimierten Länge des Systems die statische Last nicht signifikant beeinflusst. Gleichzeitig ist die maximale Höhe der sekundären nichtlinearen Feder nicht größer als das Verhältnis des maximalen ausgelenkten Stangenvolumens und der Fläche der schwebenden Kolbenbaugruppe 114.
Die Form-, Größen- und Materialeigenschaften des SNS 116, des SBS 120 und der Ventilstapel 124 und 130 können ausgewählt werden, um die optimalen Dämpfungskenndaten für eine beliebige spezielle Anwendung zu erzeugen. Eine derartige Optimierung kann beispielsweise unter Verwendung der Verfahren ausgeführt werden, die vorstehend genannten Patentanmeldung US 2009/0 062 983 A1 beschrieben sind.
Bei einer Ausführungsform weist das sekundäre Durchlassventil einen Durchmesser auf, der größer als ungefähr 90% des Innendurchmessers des Druckrohrs ist.
2 stellt in Draufsicht verschiedene einzelne Komponenten dar, die in 1 gezeigt sind. Man wird einsehen, dass die Anzahl, Größe und Form dieser Komponenten variieren kann und dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Wie gezeigt weist der Kompressions-Ventilstapel 124 eine Reihe von Ringen oder Ventilelementen mit variierenden Durchmessern auf: d. h. die Elemente 202, 204, 208, 210, 212 und 214. Das Element 204 weist vorzugsweise eine Reihe von Aussparungen 204 auf, die der Anordnung der jeweiligen Öffnungen 122 in dem SBV 120 entsprechen. Diese Aussparungen 204 erleichtern die Bewegung des Hydrauliköls 106 durch diese. Der Ausfederungs-Ventilstapel 130 (in 1 gezeigt) kann eine ähnliche Reihe von herkömmlichen Elementen umfassen.
Das resultierende System erreicht einen progressiven Widerstand bei höheren Geschwindigkeiten, um die Energiedissipation zu maximieren, wodurch die Lasten minimiert werden, die auf die Automobilstruktur übertragen werden. Das heißt, dass das sekundäre Durchlassventil und die sekundäre nichtlineare Feder einen progressiven Widerstand schaffen, wenn die Geschwindigkeit der Kolbenstange bezogen auf das Druckrohr oberhalb eines Schwellenwerts liegt.
4 ist eine Graphik, welche die Kompressions-Dämpfungskraft (N) als eine Funktion der Dämpfergeschwindigkeit (m/s) für eine beispielhafte Ausführungsform zeigt, überlagert mit vergleichbaren Daten eines Systems aus dem Stand der Technik. Während das System aus dem Stand der Technik eine relativ lineare und niedrige Dämpfungskraft zeigt, wenn die Dämpfergeschwindigkeit ungefähr 1,5 m/s überschreitet, kann man erkennen, dass eine Aufhängungskomponente gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer größeren Geschwindigkeit Zunahmen der Dämpfungskraft zeigt. Empirische Studien mit derartigen Systemen haben gezeigt, dass die gemessene strukturelle Last während eines Ereignisses mit einem großen Schlagloch um ungefähr 20% verringert werden kann.

Claims

Aufhängungskomponente (100), die umfasst: eine Kolbenstange (104), die ausgebildet ist, um sich in einem Druckrohr (102) hin- und hergehend zu verschieben, das zumindest teilweise mit Hydrauliköl (106) gefüllt ist; eine primäre Kompressions-Ventilbaugruppe (128), die mit der Kolbenstange (104) gekoppelt ist und die mit einer Innenwand des Druckrohrs (102) in gleitendem Kontakt steht; ein sekundäres Durchlassventil (120), das mit der Kolbenstange (104) gekoppelt und der primären Kompressions-Ventilbaugruppe (128) benachbart ist, wobei das sekundäre Durchlassventil (120) mehrere Öffnungen (122) aufweist, um eine Strömung des Hydrauliköls (106) während einer Auslenkung der Kolbenstange (104) aufzunehmen; eine Gasladungskammer (118), die in einem ersten Ende des Druck rohrs (102) vorgesehen ist; eine nichtlineare Feder (116), die der Gasladungskammer (118) benachbart ist; und eine schwebende Kolbenbaugruppe (114), die der nichtlinearen Feder (116) benachbart ist; wobei das sekundäre Durchlassventil (120) und die nichtlineare Feder (116) einen progressiven Widerstand schaffen, wenn die Geschwindigkeit der Kolbenstange (104) bezogen auf das Druckrohr (102) oberhalb eines Schwellenwerts liegt; wobei die nichtlineare Feder (116) eine derartige Höhe aufweist, dass die Kompression der nichtlinearen Feder (116) bei einer maximalen komprimierten Länge der Aufhängungskomponente (100) die statische Last auf die Aufhängungskomponente (100) nicht wesentlich beeinflusst; wobei die nichtlineare Feder (116) eine maximale Höhe aufweist, die nicht größer als das Verhältnis des maximalen ausgelenkten Stangenvolumens für die Aufhängungskomponente (100) und der Fläche der schwebenden Kolbenbaugruppe (114) ist.
Aufhängungskomponente (100) nach Anspruch 1, wobei das sekundäre Durchlassventil (120) mehrere Öffnungen (122) aufweist, die sich für einen Durchgang von Hydrauliköl (106) durch dieses erstrecken.
Aufhängungskomponente (100) nach Anspruch 2, wobei die mehreren Öffnungen (122) eine Reihe von Öffnungen (122) umfassen, die unter gleichmäßigen Winkeln verteilt sind.
Aufhängungskomponente (100) nach Anspruch 1, wobei die schwebende Kolbenbaugruppe (114) und die nichtlineare Feder (116) starr gekoppelt sind.
Aufhängungskomponente (100) nach Anspruch 1, wobei das sekundäre Durchlassventil (120) einen Durchmesser aufweist, der größer als ungefähr 90% des Innendurchmessers des Druckrohrs (102) ist.
Aufhängungskomponente (100) zur Verwendung in einem Automobil, wobei die Aufhängungskomponente (100) umfasst: ein sekundäres Durchlassventil (120), das ausgebildet ist, um sich in einem Druckrohr (102) hin- und hergehend zu verschieben, das zumindest teilweise mit Hydrauliköl (106) gefüllt ist, wobei das sekundäre Durchlassventil (120) mehrere Öffnungen (122) aufweist, um eine Strömung des Hydrauliköls (106) während der hin- und hergehenden Verschiebung aufzunehmen; eine nichtlineare Feder (116), die bezogen auf das sekundäre Durchlassventil (120) koaxial angeordnet ist und mit dem sekundären Durchlassventil (120) derart in hydraulischer Verbindung steht, dass das sekundäre Durchlassventil (120) und die nichtlineare Feder (116) einen progressiven Widerstand schaffen, wenn die Geschwindigkeit der Kolbenstange (104) bezogen auf das Druckrohr (102) oberhalb eines Schwellenwerts liegt; wobei die nichtlineare Feder (116) eine derartige Höhe aufweist, dass die Kompression der nichtlinearen Feder (116) bei einer maximalen komprimierten Länge der Aufhängungskomponente (100) die statische Last auf die Aufhängungskomponente (100) nicht wesentlich beeinflusst; eine schwebende Kolbenbaugruppe (114) koaxial mit dem sekundären Durchlassventil (120), wobei die nichtlineare Feder (116) eine maximale Höhe aufweist, die nicht größer als das Verhältnis des maximalen ausgelenkten Stangenvolumens für die Aufhängungskomponente (100) und der Fläche der schwebenden Kolbenbaugruppe (114) ist.
Aufhängungskomponente (100) nach Anspruch 6, wobei die mehreren Öffnungen (122) eine Reihe von Öffnungen (122) umfassen, die unter gleichmäßigen Winkeln verteilt sind.
Aufhängungskomponente (100) nach Anspruch 6, wobei die schwebende Kolbenbaugruppe (114) und die nichtlineare Feder (116) starr gekoppelt sind.
Aufhängungskomponente (100) nach Anspruch 6, wobei das sekundäre Durchlassventil (120) einen Durchmesser aufweist, der größer als ungefähr 75% des Innendurchmessers des Druckrohrs (102) ist.