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Diese Erfindung bezieht sich auf eine
Kraftfahrzeugaufhängung mit einer einstellbaren Aufhängungseinheit
und einer Steuerung für dieselbe.
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Einstellbare Aufhängungseinheiten und insbesondere
einstellbare Aufhängungseinheiten mit einstellbaren,
schwingungsdämpfenden Eigenschaften sind Thema
zahlreicher Patente. U.S. Patentschrift 3.603.612 zum
Beispiel offenbart einen einstellbaren
Schwingungsdämpfer, in welchem ein elektronisches Steuerventil die
Dämpfeigenschaften der Einheit in Abhängigkeit zur
Kraftfahrzeuggeschwindigkeit verändert.
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Einstellbare Schwingungsdämpfer werden mit einer
Vielzahl verschiedener Steuerungsverfahren auf den
Markt gebracht. Ein Beispiel eines solchen
Steuerungsverfahrens wird in U.S. Patentschrift 4.333.668
offenbart, in welchem die Dämpfung inter alia in
Abhängigkeit der Querneigung gesteuert wird. Innerhalb dieser
Schrift bezieht sich der Ausdruck "Querneigung" auf
eine mögliche, unerwünschte Schräglage oder Neigung
der Kraftfahrzeugkarosserie während einer Kurvenfahrt
oder anderen Manövern in Bezug zum normalen
Fahrverhalten.
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U.S. Patentschrift 4.564.215 offenbart eine
Steuerung, in welcher eine bistabile Aufhängungseinheit vom
weichen Zustand in den harten Zustand geschaltet
werden kann.
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U.S. Patentschrift. 4.589.676 offenbart eine
Steuerung, die Unebenheiten der Straße erfaßt und die
Dämpfungskennung der Aufhängungseinheit entsprechend
verändert. Bei diesen wie auch den zuvor beschriebenen
Vorrichtungen kommen hydraulische Einrichtungen zur
Dämpfung straßenbedingter Vibrationen zum Einsatz.
Obwohl mit solchen Einrichtungen unter bestimmten
Bedingungen durchaus zufriedenstellende Ergebnisse
erzielt werden können, ist es mit hydraulischen
Aufhängungseinheiten im allgemeinen nicht möglich, schnelle
Reaktionen im Frequenzbereich von 10 bis 15 Hz zu
erzielen, welcher für die vertikale Schwingung der
Aufhängung vieler moderner Kraftfahrzeuge
charakteristische ist.
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U.S. Patentschriften 3.913.938, 3.992.039,
4.364.574, 4.453.725 und 4.591.185 offenbaren alle ein
Aufhängungssystem, welches die Regelung der
Kraftfahrzeughöhe oder des Niveaus mit eineschließt. Alle diese
Vorrichtungen werden entweder hydraulisch oder
pneumatisch gesteuert, und alle steuern die Höhe der
Kraftfahrzeugkarosserie bezüglich der übrigen Aufhängung im
nicht schwingend Zustand. Keine dieser Vorrichtungen
ist in der Lage, eine Aufhängungseinheit der hier
beschriebenen Art zu steuern, während die
Aufhängungseinheit mit der natürlichen Frequenz des
Aufhängungssystems schwingt, welches die Aufhängungseinheit, die
Räder/Reifeneinheit und alle anderen Dämpfer- bzw.
Federelemente mit einschließt.
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U.S. Patentschrift 3.606.365 offenbart ein aktives
Aufhängungssystem für ein Kraftfahrzeug, bei welchem
die Karrosserie von einer Kolben/zylinderanordnung
getragen wird. Schwingungen der Karosserie werden
durch Veränderung des Flüssigkeitsvolumens zu beiden
Seiten des Kolbens ausgeglichen. Aus dieses System
ist auf Grund der Verzögerung, bedingt durch
verschiedene Ventile und andere hydraulische Vorrichtungen des
Systems, nicht in der Lage, auf hohe Frequenzen zu
reagieren. Solche hydraulischen Vorrichtungen sind
wegen des nicht-linearen Verhältnisses zwischen der
vom hydraulischen Dämpfer erzeugten Kraft und den
Eingangs-Steuersignalen grundsätzlich nicht in der
Lage, ein Aufhängungssystem während eines halben
Arbeitsspiels genau zu steuern. Diese Nicht-Linearität
beruht auf den Eigenschaften der hydraulischen
Ventile, der Verdichtbarkeit der hydraulischen Flüssigkeit
und weiteren Faktoren, weshalb es schwierig ist,
Dämpfkraft unabhängig von Dämpfgeschwindigkeit zu
steuern.
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Andere Schwierigkeiten mit hydraulischen Dämpfern
beruhen auf der Verdichtbarkeit der hydraulischen
Flüssigkeit und auf der Tatsache, daß bei
hydraulischen Dämpfern Probleme auftreten, wenn hohe Kräfte
bei niedrigen Dämpfgeschwindigkeiten erzeugt werden
sollen. Diese Eigenschaft wünschenswert für die
Steuerung des Bremsnickausgleichs, des
Anfahrnickausgleichs und der Querstabilität. Ein weiterer Nachteil
hydraulischer Dämpfer liegt darin, daß solche
Vorrichtungen typischerweise hohe Reibungsverluste auf Grund
der hydraulischen Dichtungen aufweisen.
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Konstrukteure haben verschiedene Bauweisen für
Gleitreibungsdämpfer oder Schwingungsdämpfer
ausprobiert. Gleitreibungsdämpfer gibt es schon seit Beginn
des Autozeitalters. U.S. Patentschrift 875.759
offenbart zum Beispiel einen
Gleitreibungs-Schwigungsdämpfer,
der durch einen Keil oder ein viergliedriges
Gestänge einstellbar ist. Weitere
Gleitreibungs-Schwingungsdämpfer werden in U.S. Patentschriften 1.671.658,
3.052.458, 3.866.724 und 3.990.542 offenbart. Die
französische Patentschrift 1.143.703 offenbart einen
noch anderen Typ des
Gleitreibungs-Schwingungsdämpfers. Keine der Ausführungen kann in ein
Aufhängungssystem für ein Kraftfahrzeug eingebaut werden, wenn
gewünscht wird, die Dämpfung des Schwingungsdämpfers
abhängig von dem Takt zu steuern, in dem sich die im
Zweitaktverfahren arbeitenden Dämpfvorrichtung wie
auch die übrige Aufhängung, welche die
Dämpfvorrichtung beinhaltet, gerade befindet. Alle vorgenannten
Gleitreibungs-Schwingungsdsämpfer zeigen einen
ähnlichen Mangel, der darin begründet liegt, daß es von der
Kraft, die die Vorrichtung entwickelt, keine
Rückkopplung gibt. Folgerichtig kommt es in dieser Vorrichtung
zu Verschleißerscheinungen, die nur grob behoben
werden können, z. B. durch justieren der Einheit, wenn
der Fahrzeugführer bemerkt, daß sich das Fahrzeug
schlechter kontrollieren läßt. Außerdem kann keine
dieser Vorrichtungen dynamisch gesteuert werden.
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Patentschrift DE-A-3 048 532 offenbart ein
Aufhängungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Karosserie und
Laufrädern, die genannte Karosserie tragen, wobei
genannte Laufräder durch genanntes Aufhängungssystem mit
genannter Karosserie verbunden sind, wobei genanntes
Aufhängungssystem eine Aufhängungseinheit
einschließlich eines Dämpfers mit einem einstellbaren
Gleitreibungselement und Einstellvorrichtung zur Einstellung
der von genanntem Dämpfer entwickelten Dämpfkraft
beinhaltet, sowie eine Steuerung, mit einer
Vorrichtung, die an die Einstellvorrichtung zur Einstellung
der von dem Dämpfer entwickelten Dämpfkraft gekoppelt
ist.
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Patentschrift EP-A-0 114 757 und Patentschrift
GB-A-1 604 416 zeigen Aufhängungssysteme, bei denen
die vom Dämpfer erzeugte Dämpfkraft direkt gemessen
wird, und obwohl solch eine Messung Möglichkeiten der
automatischen Regelung bietet, ist es schwierig, die
von den Gleitreibungselementen erzeugte Dämpfkraft mit
blick auf die ausgesprochen kleine Bewegung
einzustellen, die für eine Änderung der Dämpfkraft erforderlich
ist.
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Diese Erfindung zeigt nun ein Aufhängungssystem, in
welchem Reibungselemente zur Erzielung der Dämpfung
eingesetzt werden, und das eine Steuerung hat, die in
der Lage ist, die Feinregelung der Dämpfkraft und der
Reaktion bei hohen Frequenzen auszuführen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird hier ein
Aufhängungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Karosserie
und Laufrädern geschaffen, welche genannte Karosserie
tragen, wobei genannte Laufräder mit genannter
Karosserie durch genanntes Aufhängungssystem verbunden
sind, wobei genanntes Aufhängungssystem aus einer
Aufhängungseinheit besteht, die einen Dämpfer mit einem
einstellbaren Gleitreibungselement hat, und eine
Einstellvorrichtung zur Einstellung der von genanntem
Dämpfer entwickelten Dämpfkraft, und einer Steuerung
mit einer Vorrichtung, die zur Einstellung der vom
Dämpfer erzeugten Dämpfkraft an die
Einstellvorrichtung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuerung eine Vorrichtung zur direkten Messung der
Größe der von genanntem Dämpfer erzeugten Dämpfkraft
hat, und dadurch, daß die Einstellvorrichtung einen
Motor beinhaltet, der eine Verstellschraubenspindel
antreibt, die auf genanntes Gleitreibungselement
wirkt, do daß Drehung genannter
Verstellschraubenspindel durch genannten Motor die Einstellung der von
genanntem Gleitreibungselement erzeugten
Reibungsdämpfkraft bewirkt, wobei die vom Dämpfer entwickelte Kraft
proportional zum Steuerstrom ist, der den Motor
antreibt.
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Das Gleitreibungselement in einer
Aufhängungseinheit enthält gemäß der vorliegenden Erfindung
vorzugsweise entweder mehrere Rotorplatten, die mit mehreren
Statorplatten ineinandergreifen und an dieselben
mittels Klemmung befestigt sind, oder mehrere
halbkreisförmige Segmente, die so angeordnet sind, daß sie eng
an der inneren Oberfläche einer zylindrischen Röhre
gleiten.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines
Beispiels und unter Bezug auf beigefügte Figuren
ausführlich beschrieben, wobei:
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Figur 1 eine schematische Darstellung einer
einstellbaren Aufhängungseinheit und einer Steuerung ist,
die gemeinsam gemäß der vorliegenden Erfindung zum
Einsatz kommen können;
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Figur 2 eine perspektivische Zeichnung eines
Kraftfahrzeugs mit eingebautem, beschriebenem System ist;
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Figur 3 ein Aufriß einer einstellbaren
Aufhängungseinheit entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
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Figur 4 ein Ausschnitt der Schnittperspektive der
Aufhängungseinheit - wie in Figur 3 gezeigt - ist;
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Figur 5 ein Teil der Querschnittansicht der
Aufhängungseinheit - wie in Figur 4 - zeigt, und zwar
entlang der Linie 5-5 in Figur 4;
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Figur 6 eine Querschnittansicht eines zweiten
einstellbaren Dämpfers entsprechend der vorliegenden
Erfindung ist;
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Figur 7 eine Querschnittansicht des Dämpfers wie in
Figur 6 ist, und zwar entlang der Linie 7-7 in Figur
6;
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Figur 8 ein logisches Flußblockdiagramm der
vorliegenden Erfindung ist;
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Figur 9 ein zweites logisches Flußblockdiagramm der
vorliegenden Erfindung ist;
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Wie Figuren 1 und 2 zeigen, soll eine Steuerung für
den gemeinsamen Einsatz mit einer einstellbaren
Aufhängungseinheit geschaffen werden, deren
Dämpffähigkeit verstellbar ist, und die in Kraftfahrzeugen oder
anderen Landfahrzeugen eingebaut werden können. Wie in
Figur 1 zu sehen ist, umfaßt einstellbare
Aufhängungseinheit 10 Teilstück 12, welches an der
Fahrzeugkarosserie, und Teilstück 14, welches an einen Teil der
Aufhängung befestigt ist,der enger mit
Rad/Reifeneinheit verbunden ist.
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Wie in Figur 1 zu sehen, liegt Dämpfungsabschnitt
13 zwischen Teilstücken 12 und 14 der einstellbaren
Aufhängungseinheit 10. Dämpfungsabschnitt 13 umfaßt
eine Gleitreibungs-Dämpfvorrichtung, wie Figuren 3, 4,
5, 6 und 7 zeigen. Kraftfühler 16 ist an Teilstück 12
der einstellbaren Dämpfereinheit 10 befestigt. Der
Kraftfühler kann eine piezoelektrische Vorrichtung
oder eine Kraftmeßdose oder andere, Fachleuten
bekannte und in dieser Erfindung vorgeschlagene Arten des
Kraftfühlers ist, die Größe der von der einstellbaren
aufhängungseinheit 10 entwickelten Dämpfkraft zu
messen, und das Ergebnis dieser Messung an einen
Mikroprozessor und an die Steuereinheit der Aufhängung
weiterzugeben.
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Die relative Bewegung der Teilstücke 12 und 14 der
einstellbaren Aufhängungseinheit 10 zueinander wird
von Bewegungsfühler 18 erfaßt. Dieser Fühler kann nach
verschiedenen, den Fachleuten bekannten Verfahren oder
nach in dieser Offenbarung vorgeschlagenen Verfahren
hergestellt werden. So kann der Fühler zum Beispiel
einen Hall Effekt Fühler beinhalten, so wie jene, die
gegenwärtig in einigen Kraftfahrzeugen zum Einsatz
kommen; der Fühler kann aber auch vorzugsweise einen
linear variablen Differentialüberträger (LVDT)
beinhalten, oder andere bekannte Fühlerarten.
Bewegungsfühler 18 versorgt die Steuerung mit Daten zur
Relation der Bewegung der beiden Teilstücke der
einstellbaren Aufhängungseinheit 10 zueinander. Diese Daten
zeigen der Steuerung zu jedem beliebigen Zeitpunkt, ob
sich die einstellbare Aufhängungseinheit in Einfeder-
Richtung, d. h. in die Richtung, in der die Länge
abnimmt, oder in Ausfeder-Richtung, d. h. in die
Richtung, in der die Länge zunimmt, befindet. Fühler 18
offenbart der Steuerung außerdem die genaue Position
von Aufhängungseinheit 10 durch Angabe des gänzlich
ausgefahrenen bzw. des gänzlich zusammengepreßten
Zustandes. Diese Information ist wichtig, weil die
Steuerung die von einstellbarer Aufhängungseinheit 10
erzeugte Dämpfkraft entsprechend des jeweiligen Takts,
in welchem sich die einstellbare Aufhängungseinheit
gerade befindet, steuern soll.
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In dieser Schrift wird davon ausgegangen, daß ein
stellbare Aufhängungseinheit 10 im Taktverfahren
arbeitet. Ein Arbeitsspiel besteht aus zwei Takten. Wie
zuvor angemerkt, beschreibt der erste Takt, hier als
Ausfedern bezeichnet, die Bewegung der einstellbaren
Aufhängungseinheit, wenn deren Länge zunimmt. Der
zweite Takt, hier als Einfedern bezeichnet, beschreibt
die Bewegung der einstellbaren Aufhängungseinheit wenn
deren Länge abnimmt. Es wird davon ausgegangen, daß
die einstellbare Aufhängungseinheit im allgemeinen an
einem Ende, wie an Stelle 28 in Figur 2 zu sehen ist,
mit einem Rad oder mehreren Rädern, und am anderen
Ende der Aufhängungseinheit mit der Karosserie des
Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Weiter ist in Figur 1 zu sehen, daß das System
Stellglied 20 aufweist, Steuereinheit 22 der
Aufhängungseinheit,
Mikroprozessor oder Computer 24 und
Beschleunigungsfühler 26.
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Stellglied 20 dient zur Steuerung der von
einstellbarer Aufhängungseinheit 10 erzeugten Kraft. Diese
Steuerung ist das Ergebnis der durch das Stellglied
durchgeführten Einstellung eines
Gleitreibungselementes innerhalb der einstellbaren Aufhängungseinheit 10.
Zwei Arten von Gleitreibungselementen sind in Figuren
4-7 zu sehen. Obwohl das Stellglied in Figur 1
schematische gesehen von Aufhängungseinheit 10 getrennt
darstellt wurde, wird das Stellglied in der Praxis sehr
wahrscheinlich in die Aufhängungseinheit integriert.
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Steuereinheit 22 der Aufhängungseinheit erhält
Daten vom Kraftfühler 16, Bewegungsfühler 18 und vom
Mikroprozessor 24.
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Mikroprozessor 24 gibt an die Steuereinheit 22 der
Aufhängungseinheit ein gewünschtes Kraftsignal.
Steuereinheit 22 der Aufhängung kennt durch die Signale
von Kraftfühler 16 die gemessene, von der
einstellbaren Aufhängungseinheit erzeugte Kraft zu jedem
Zeitpunkt und gibt dann das Signal an Stellglied 20
weiter, um auf diese Weise das Stellglied zu veranlassen,
die von der einstellbaren Aufhängungseinheit 10
erzeugte Dämpfkraft zu steuern. Obwohl die Steuereinheit
der Aufhängungseinheit und der Mikroprozessor in Figur
1 schematisch als getrennte Bauteile dargestellt sind,
können diese Teile des Systems als eine einzige
Einheit ausgeführt werden.
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Mikroprozessor 24 kann unterschiedliche
Eingangsdaten von Beschleunigungsfühler 26 erhalten. Zum
Beispiel kann Beschleunigungsfühler 26 so eingesetzt
werden, daß er Eingangsdaten, die sich auf
Dreh/Schwenkbewegungen des Kraftfahrzeugs, auf einen Bremsvorgang,
auf die Stellung der Drosselklappe des Kraftfahrzeugs
oder auf die vertikale Schwingung des Kraftfahrzeugs
beziehen, oder andere Eingangsdaten an Mikroprozessor
24 gibt. Es sei hier angemerkt, daß
Beschleunigungsfühler 26 verschiedene Fühler beinhalten kann, wie zum
Beispiel einen Beschleunigungsmesser, einen
Bremsfühler als Druckfühler oder elektronischen Schalter, der
mit dem Bremmsystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist,
oder auch andere Fühlerarten wie einen Drosselklappen-
Positionsfühler in der Drosselklappenvorrichtung, die
direkt auf den Kraftfahrzeugantrieb wirkt. Noch eine
andere Art eines Lenkwinkelfühlers, der sinnvoll für
die Berechenbarkeit der lateralen Beschleunigung eines
Kraftfahrzeugs ist, wird in der U. S. Patentschrift
4.621.833 offenbart, der durch diese Bezugnahme in
diese Schrift mit einfließen soll.
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Mikroprozessor 24 und dessen periphere Einheiten
können entsprechend mehrerer unterschiedlicher
Möglichkeiten der Gesamtausstattung ausgelegt werden. In
einer bevorzugten Konstruktionsform wird
Mikroprozessor 24 so konfiguriert, daß ein Steuerprogramm
fortlaufend für jeden Einheitensteuerbefehl von einem ROM
Speicher gelesen wird, der festgelegte Steuerprogramme
speichert. Einheitensteuerbefehle werden von einem
Zentralprozessor (CPU) ausgeführt. In den
Mikroprozessor ist ein E/A Steuerkreis zum Austausch von Daten
mit externen Vorrichtungen integriert sowie ein RAM
Speicher mit wahlfreiem Zugriff, um vorübergehend
Daten festzuhalten, während dieselben bearbeitet werden.
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Figur 2 zeigt ein Kraftfahrzeug einschließlich
Karosserie 21 und vier Laufräder/Reifen 28, bei welchem
einstellbare Aufhängungseinheit 10 zwischen
Rädern/Reifen und Kraftfahrzeugkarosserie montiert ist.
Eine MacPherson Federbein-Aufhängung ist an der
Fahrzeugfront zu sehen, ein Hotchkiss Antrieb hinten. Eine
einstellbare Aufhängungseinheit und eine Steuerung
gemäß der vorliegenden Erfindung können in einer
Vielzahl
unterschiedlicher Aufhängungsvarianten in ein
Kraftfahrzeug eingebaut werden; die in Figur 2
gezeigte Aufhängung ist selbstverständlich nur ein Beispiel
aus einer ganzen Reihe verschiedener Aufhängungen, die
bei Umsetzung der Erfindung praktikabel sind.
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In Figur 2 ist Mikroprozessor 24 im hinteren Teil
des Kraftfahrzeugs befestigt. Im Mikroprozessorgehäuse
ist ebenfalls Steuereinheit 22 der Aufhängungseinheit
untergebracht. Eine andere Möglichkeit ist,
Mikroprozessor 24 und Steueinheit 22 der Aufhängungseinheit
in einer elektronischen Motorsteuerung oder einer
anderen Art Bordrechner innerhalb des Kraftfahrzeugs zu
integrieren. Darüberhinaus können mehrere
Steuereinheiten eingesetzt werden, so daß jede
Aufhängungseinheit unabhängig von einer Steuereinheit gesteuert
wird.
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Figur 2 zeigt, daß Laufräder/Reifen 28 durch
Aufhängungsvorrichtungen 23 mit einstellbaren
Aufhängungseinheiten 10 verbunden sind. Obwohl das Fahrzeug
in Figur 2 vier einstellbare Aufhängungseinheiten
zeigt, sei hier angemerkt, daß Aufhängungseinheiten
gemäß vorliegender Offenbarung auch an weniger als an
4 Stellen im Kraftfahrzeug angeordnet werden können.
Wenn zum Beispiel feststeht, daß ein bestimmtes
Kraftfahrzeug besonders vorn und hinten zum Stoßen neigt,
kann es wünschenswert sein, das Fahrzeug nur vorn oder
hinten mit einstellbaren Aufhängungseinheiten
auszurüsten.
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Das System in Figur 2 wird von der
Kraftfahrzeugbatterie 30 mit Strom versorgt. Eine Vielzahl Fühler
wird eingesetzt, damit das System mit den füh den
Betrieb der einstellbaren Aufhängungseinheiten 10
notwendigen Daten versorgt werden kann. Dazu gehört auch
Lenkwinkelfühler 32. Dieser Fühler arbeitet wie in
Patentschrift U.S. 4.621.833 beschrieben, auf welches
im vorangegangenen bereits hingewiesen wurde.
Bremsfühler 34 und Geschwindigkeitsfühler 38 sind ebenfalls
abgebildet. Brems-, Geschwindigkeits- und
Lenkwinkelfühler können alle zur Erfassung der Beschleunigung
des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. So kann zum
Beispiel Geschwindigkeitsfühler 38 die Geschwindigkeit
des Kraftfahrzeugs erfassen, und diese Daten können
von Mikroprozessor 24 zur Berechnung der
Kraftfahrzeuggeschwindigkeit und Beschleunigung verarbeitet
werden. Bremsfühler 34 erfaßt die Tätigkeit des
Bremssysstems des Kraftfahrzeugs und erfaßt somit lineare
Beschleunigung (bzw. Verzögerung) des Kraftfahrzeugs
aufgrund der Betätigung der Bremse.
Drosselklappenpositionsfühler 40 kann ebenfalls zur Erfassung von
Beschleunigung eingesetzt werden, weil Betätigung der
Drosselklappe normalerweise eine Erhöhung der
Fahrzeuggeschwindigkeit nach sich zieht. Lenkwinkelfühler
32 kann zur Berechnung lateraler Beschleunigung des
Fahrzeugs eingesetzt werden, weil einer Bewegung des
Lankrads normalerweise immer eine laterale
Beschleunigung folgt.
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Ein einziger Beschleunigungsmesser 36 ist, wie zu
sehen, in der Front des Kraftfahrzeugs montiert, und
zwar in der Nähe des Motorraumes. Es sei hier
angemerkt, daß mehrere Beschleunigungsmesser eingesetzt
werden können, ein odere mehrere Beschleunigungsmesser
an der Front des Kraftfahrzeugs, ein oder mehrere
Beschleunigungsmesser im Heck des Kraftfahrzeugs. Sofern
gewünscht, kann ein Beschleunigungsmesser direkt neben
jeder einstellbaren Aufhängungseinheit 10 plaziert
werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die
Fühler an der rechten und linken Seite anzubringen (d.
h. an der Beifahrer- und der Fahrerseite des
Kraftfahrzeugs) zur Erfassung der Querneigung. Es sei hier
angemerkt, daß die zuvor beschriebenen
Beschleunigungsmesser zur Erfassung der Beschleunigung in
mehreren
wechselseitig senkrechten Ebenen wie lateral,
longitudinal oder vertikal eingesetzt werden können.
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Figuren 3-5 zeigen einen rotierende Typ der
einstellbaren Aufhängungseinheit. Obwohl schon vor vielen
Jahren rotierende Reibungsdämpfer in Kraftfahrzeugen
eingesetzt wurden, waren solche Dämpfer unzuverlässig,
weil die Kräftekennung des Dämpfers nicht genau zu
steuern war. Das zog nach sich, daß die Dämpfkennung
unzuverlässig war. die vorliegende Erfindung löst
dieses Problem.
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Wie Figur 3 zeigt, ist einstellbare
Aufhängungseinheit 10 an Karosserie 21 des Kraftfahrzeugs montiert.
Gehäuse 48 der einstellbaren Aufhängungseinheit ist
durch eine Halterung oder andere herkömmliche
Verbindungsvorrichtung mit der Karosserie verbunden.
Einstellbare Aufhängungseinheit 10 ist mit der übrigen
Aufhängung gemäß einer von mehreren, bekannten
Konstruktionen mittels Verbindungslied 44 verbunden,
welches an Lenkhebel 42 befestigt ist. Der Linkhebel ist
mit drehbarer Welle 46 starr verbunden, die in Gehäuse
48 drehbar ist. Zu diesem Zweck befindet sich an einem
Ende von drehbarer Welle 46 Lager 47. Das
gegenüberliegende Ende von drehbarer Welle 46 ist innerhalb von
Pumpenstange 54 drehbar (siehe Figur 4). Drehbare
Welle 45 hat mehrere, in dieselbe verkeilte Rotoren 50.
Figur 5 zeigt Rotoren 50 und die Verkeilung
detailliert. Rotoren 50 drehen mit drehbarer Welle 46, wenn
drehbare Welle 46 von Lenkhebel 42, Verbindungsglied
44 und der an diese Bauteile befestigten übrigen
Aufhängung angetrieben wird.
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Mehrere Statoren 52 greifen in Rotoren 50 ein.
Statorplatten 52 sind nicht drehbar innerhalb des äußeren
Gehäuses 48 montiert. Statorplatten 52 werden durch
Pumpenstange 54 zu einer Klemmverbindung mit
Rotorplatten 50 getrieben, so daß auf diese Weise einer
Drehung der drehbaren Welle 46 und Rotorplatten 50
Widerstand entgegengesetzt wird. Daraus folgt, daß
einstellbare Aufhängungseinheit 10 dem Ein- und
Ausfedern der Aufhängung, übertragen von Verbindung 44 an
Lenkhebel 42, Widerstand entgegensetzt. Die gemessene
Größe des Widerstands zur Aufhängungsbewegung
(Dämpfkraft) wird durch Kraftfühler 16 an Steuereinheit 22
der Aufhängungseinheit weitergeleitet.
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Die Größe der von Aufhängungseinheit 10 erzeugten
Dämpfkraft in Figur 4 wird von Pumpenstange 54
gemeinsam mit Querverbindung 56, Gelenkstange 58,
Verstellschraubenspindel 60 und Drehmomentmotor 62 gesteuert.
Pumpenstange 54 drückt axial auf die
ineinangergreifenden Stator und Rotorplatten, um so eine normale
Kraft oder eine Klemmkraft zwischen Stator und
Rotorplatten zu erzeugen. Entsprechend wird die Größe der
Reibung zwischen Rotor und Statorplatten und die
daraus resultierende, von der Aufhängungseinheit
erzeugte Dämpfkraft gesteuert. Pumpenstange 54 wird in den
Stator und Rotorplattenstapel durch Querverbindung 56
eingebracht, die zum äußeren Gehäuse 48 durch
Querverbindungszapfen 57 drehbar ist. Querverbindung 56 ist
durch Gelenkstange 58 mit einem Antriebsmechanismus
verbunden, der Verstellschraubenspindel 60 und
Drehmomentmotor 62 beinhaltet. Gelenkstange 58 hat an beiden
Enden einen Zapfen, welcher Verstellschraubenspindel
60 und Drehmomentmotor 62 ermöglicht, Querverbindung
56 hinein- und herauszubewegen, so daß Pumpenstange 54
und damit auch der Stator- und Rotorstapel enger bzw.
lockerer gespannt wird.
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Verstellschraubenspindel 60 und Drehmomentmotor 62
Steuern vorteilhafterweise die einstellbare
Aufhängungseinheit, weil nur sehr kleine Verschiebungen der
Pumpenstange notwendig sind, um die Reibungskraft, die
zwischen Stator- und rotorplatten entwickelt wird, zu
verändern. Dies ermöglicht eine sehr große Verstärkung
der Stellgliedkraft bei einer nur minimalen
Verschiebung des Stellglieds. Auf diese Weise können ein
kleiner Drehmomentmotor und eine kleine
Verstellschraubenspindeleinheit verwendet und gleichzeitig Reaktion im
hohen Frequenzbereich beibehalten werden. Demzufolge
ist das Verhältis zwischen der von der einstellbaren
Aufhängungseinheit entwickelten Kraft und dem
elektrischen Steuerstrom für den Motor linear. Die von der
einstellbaren Aufhängungseinheit entwickelte
Dämpfkraft verhält sich also zur Gleitreibungskraft durch
den Reibungskoeffizienten ebenfalls linear. Da das
Motordrehmoment vom Drehmomentmotor für kleine
Verschiebungen linear proportional zum Steuerstrom ist,
ist die vom Dämpfer erzeugte Kraft proportional zum
Steuerstrom, der den Motor antreibt. Daraus folgt, daß
die Frequenzreaktion der Aufhängungseinheit in erster
Linie von der Geschwindigkeit, mit der der Steuerstrom
im Motor verändert werden kann, abhängig ist. Da
dieser Steuerstrom sehr schnell verändert werden kann,
zeigt eine Aufhängungseinheit gemäß dieser Erfindung
sehr schnelle Reaktionskennungen. Darüberhinaus ist
die von der Aufhängungseinheit erzeugte Dämpfkraft
gemäß der vorliegenden Erfindung unabhängig von der
Geschwindigkeit der Bewegung der Aufhängungseinheit in
Ein- bzw. Ausfederrichtung. Der Dämpfer kann seine
maximale Kraft bei null Aufhängungs-Geschwindigkeit
oder bei maximum Aufhängungs-Geschwindigkeit oder bei
beliebiger mittlerer Geschwindigkeit entwickeln. Da
die Dämpfung einstellbar ist, kann der Dämpfer
darüberhinaus so eingestellt werden, daß er bei Bedarf
keine Dämpfung liefert.
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Eine zweite Konstruktionsform eines Dämpfers zeigen
Figuren 6 und 7. In dieser Konstruktionsform ist
Kolbenstange 66 an Kraftfahrzeugkarosserie 21 befestigt.
Das untere Ende von Aufhängungseinheit 10,
einschließlich zylindrischen Rohrs 71, ist an Aufhängung 23 des
Kraftfahrzeugs befestigt. Wenn sich die Aufhängung und
die daran befestigte Rad/reifeneinheit 28 durch die
Ein- und Ausfedertakte bewegen, hat das zur Folge, daß
einstellbare Aufhängungseinheit 10 sich in
Längsrichtung ausdehnt bzw. zusammenzuzieht. Gleichzeitig mit
dem Zusammenziehen und Ausdehnen in Längsrichtung
gleiten mehrere halbkreisförmige Segmente 68 an
innerer Oberfläche 72 des zylindrischen Rohrs 71. Diese
Gleitbewegung der halbkreisförmigen Segments 68
verbraucht Energie, ähnlich wie das Rotationsgleiten der
Rotoren und Statoren in der vorgenannten
Konstruktionsform.
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Halbkreisförmige Segmente 68 werden durch Keil 74,
zu sehen in Figuren 6 und 7, in Kontakt mit innerer
Oberfläche 72 von zylindrischem Rohr 71 gehalten. Keil
74 wird in halbkreisförmige Segmente 68 mit Hilfe
mehrerer Lager 76 gespannt, welche zwischen die
halbkreisförmigen Segmente und Keil 74 geschoben werden.
Keil 74 wird von Verstellschraubenspindel 60
antrieben, die treibend mit Drehmomentmotor 62 verbunden
ist. Verstellschraubenspindel 60 wird von
Drehmomentmotor 62 gedreht, und das Gewinde der
Verstellschraubenspindel, das mit dem auf der inneren Oberfläche des
Keils geschittenem Gewinde übereinstimmt, führt den
Keil zu einem engeren oder weniger engen Sitz gegen
Later 76, abhängig von der Drehung der
Verstellschraubenspindel. Das hat zur Folge, daß halbkresiförmige
Segmente 68 so angeordnet werden, daß sie mehr bzw.
weniger Reibungskraft zwischen den halbkreisförmigen
Segmenten und der inneren Oberfläche 72 des
zylindrischen Rohrs 70 erzeugen. Auf diese Weise ist es
möglich, die von der einstellbaren Aufhängungseinheit
erzeugte Dämpfkraft einzustellen. Schrittschaltmotor
62 wird durch elektrische Leitungen 64 betrieben,
welche durch ein Ende von Kolbenstange 66 aus der
einstellbaren Aufhängungseinheit hinausführen und mit
Steuereinheit 22 der Aufhängungseinheit verbunden
sind. Wie zuvor wird auch hier der Motorstrom zur
Einstellung
der von der Aufhängungseinheit erzeugten
Dämpfkraft gesteuert.
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Gemäß vorliegender Erfindung können in einem
Aufhängungssystem auch andere Gleitreibungsvorrichtungen
als die hier genannten eingesetzt werden.
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Wie zuvor schon angemerkt, kann eine Steuerung, wie
hier beschrieben, eingesetzt werden, um unerwünschte
Querneigung und andere unerwünschten Bewegungen der
Karosserie eines Kraftfahrzeugs gänzlich auszuschalten
oder zu vermindern. solche Bewegungen treten zum
Beispiel auf, wenn die Karosserie während einer
Kurvenfahrt "überrollt" nicht, daß die Räder des
Kraftfahrzeugs tatsächlich den Kontakt zum Boden
verlieren und das Kraftfahrzeug auf die Seite oder auf
das Dach kippt; "überrollt" bezeichnet eher im
konventionellen Sinne der Automobiltechnik, daß die
Karosserie für einen Augenblick das normale Fahrverhalten
ändert und die eine oder andere Seite sich
unerwünschterweise hebt. Diese unterwünschte Bewegung der
Karosserie kann ebenfalls während eines Bremsvorgangs
auftreten, der häufig von einem Anheben des Fahrzeughecks
und Senken der Fahrzeugfront begleitet wird. Auf der
anderen Seite kann eine Beschleunigung unerwünschtes
Senken des Fahrzeughecks und Anheben der Fahrzeugfront
hervorrufen. Die letzte unerwünschte Bewegung, welche
durch die vorliegende Erfindung reduziert oder
eliminiert wird, ist die vertikale Schwingung der
Karosserie, hervorgerufen durch Einflüsse der
Straßenoberfläche.
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Es ist festgestellt worden, daß Räder/Reifen eines
Kraftfahrzeugs, das über eine flache, ebene und
nominell glatte Straße fährt, vertikal (d. h. in Ein- und
Ausfederrichtung) mit einer Frequenz von ungefähr 13
Hz schwingen. Diese Schwingung der Räder/Reifen treten
immer auf, gleichgültig wie glatt die Oberfläche dem
bloßen Auge erscheint. Die Kraftfahrzeugkarosserie auf
der anderen Seite hat eine natürliche
vibrationsfrequenz von ungefähr 1,4 Hz, was in einem Bereich
beobachteter natürlicher Frequenzen liegt, der von
ungegähr 0,9 Hz bix 1,8 Hz reicht. Da die natürliche
Schwingungsfrequenz der Karosserie um ungefähr eine
Größenordnung niedriger liegt als die Frequenz der
Schwingung von Rädern/Reifen, wird ein Teil der
Federenergie, die in den Federn der Kraftfahrzeugaufhängung
verfügbar ist, wie auch die Energie von den vertikal
schwingenden Rädern/Reifen zur Steuerung des
Verhaltens der Karosserie genutzt, ohne die Karosserie über
die Maßen virbrieren zu lassen. Dementsprechende
"Aufwärts-" und "Abwärtspump-"Programme zur Steuerung
des Verhaltens der Karosserie werden offenbart. Wie
zuvor angemerkt, arbeitet die hier beschriebene
Aufhängungseinheit eines Kraftfahrzeugs, die eine
einstellbare Aufhängungseinheit mit variabler
Dämpfmöglichkeit Aufhängungseinheit befestigt ist, zu erhöhen, kann
die Aufhängungseinheit
so eingestellt wird, daß sie
eine bei weitem kleinere Dämpfung erfährt, wenn die
Räder/Reifen und die dazugehörige Aufhängung sich in
Ausfederrichtung bewegen. Dieser Vorgang wird mit
"Aufwärtspumpen" bezeichnet. Umgekehrt wird mit
"Abwärtspumpen" der Vorgang bezeichnet, bei dem entweder
die gesamte Karosserie oder nur eine Seite der
Karosserie oder ein Ende der Karosserieseite nach unten
bewegt werden soll oder eine nach unten gerichtete
Kraft auf die karosserie wirken soll. Im Fall eines
Abwärtspumpens wird die einstellbare
Aufhängungseinheit so eingestellt, daß sie weniger Dämpfung wirksam
werden läßt, wenn die Aufhängungseinheit sowie
Räder/Reifen und die restliche Aufhängung sich in
Einfederrichtung bewegen; wenn die Räder/Reifen, die
Aufhängungseinheit und der Rest der Aufhängung sich in
Ausfederrichtung bewegen, wird die Aufhängungseinheit
jedoch so eingestellt sein, daß sie maximale,
zumindest aber eine größe Dämpfung wirksam werden läßt.
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Figur 8 zeigt ein vereinfachtes, logisches
Flußdiagramm für den Einsatz einer Steuerung gemäß
vorliegender Erfindung. Nach Block 78, dem Start des
Aufwärts/Abwärtspumpprogramms, leitet der Computer zu
Block 80 weiter, in welchem gefragt wird, ob
Mikroprozessor 24 Aufwärtspumpen oder Abwärtspumpen verlangt.
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Wenn Aufwärtspumpen verlangt wird, leitet der
computer zu Block 82 weiter, in welchem die
Geschwindigkeit der Aufhängungseinheit in Ein- bzw.
Ausfederrichtung bestimmt wird. Wenn sich Aufhängungseinheit 10 in
Ausfederrichtung bewegt, leitet der Computer zu Block
84 weiter und setzt den Kraftausgabebefehl an die
Steuereinheit der Aufhängungseinheit 22 gleich Null
oder nahe Null. Wenn sich die Aufhängungseinheit 10 in
Einfederrichtung bewegt, leitet der Computer an Block
86 weiter und bestimmt eine entsprechende, von den
Dämpfern zu erzeugende Kraft. Die gewünschte
Kraftausgabeinformation wird nach Block 88 zum Stellglied 20
über Steuereinheit 22 der Aufhängungseinheit geleitet.
Der Computer kehrt dann zu Block 90 zurück, um Block
878 neue zu starten. Auf ähnliche Weise wird verfahren,
wenn Mikroprozessor 24 Abwärtspumpen verlangt: der
Computer leitet von Block 80 zu Block 92 weiter, in
welchem nach der Geschwindigkeit von
Aufhängungseinheit 10 gefragt wird. Wenn sich Aufhängungseinheit 10
in Einfederrichtung bewegt, wird die Kraft des
Dämpfers in Block 94 gleich Null oder nahe Null gesetzt
und ein entsprechender Kraft-Befehl an Stellglied 20
über Steuereinheit 22 der Aufhängungseinheit in Block
88 ausgegeben. Wenn Aufhängungseinheit 10 sich in
Ausfederrichtung bewegt, wird der Computer in Block 96
die Dämpfkraft größer als Null setzen und dies wird an
Stellglied 20 über Steuereinheit 22 der
Aufhängungseinheit in Block 88 ausgegeben.
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Wenn mit einem Kraftfahrzeug, das mit dem hier
beschriebenen System ausgestattet ist, eine Rechts- bzw.
eine Linkskurve gefahren wird, erfaßt Lenkwinkelfühler
32 mit dazugehöriger Software die laterale
Anfangsbeschleunigung. wenn das Fahrzeug zum Beispiel nach
links abbiegt, was normalerweise zur Folge hat, daß
die Karosserie nach rechts überrollt, erhalten die
einstellbaren Aufhängungsvorrichtungen an der rechten
Seite des Kraftfahrzeugs einen Aufwärtspump-Befehl,
während die Einheiten auf der linken Seite des
Kraftfahrzeugs einen Abwärtspump-Befehl erhalten. Diese
Form der Handhabung der einstellbaren
Aufhängungseinheiten wirkt einer Querneigung der Karosserie
entgegen. In diesem Beispiel werden die
Aufhängungseinheiten aufgrund erfaßter lateraler Anfangsbeschleunigung
gesteuert. Wenn der Fahrer des Kraftfahrzeugs auf die
Bremse tritt, erhalten die Aufhängungseinheiten in der
front des Kraftfahrzeugs auf ähnliche Weise einen
Aufwärtspump-Befehl, während die Aufhängungseinheiten
im Heck des Fahrzeugs einen Abwärtsbefehl erhalten.
Diese Handhabung der einstellbaren
Aufhängungseinheiten trägt dazu bei, die Karosserie waagerecht zur
Bezugsbene zu halten. In diesem Beispiel werden die
Aufhängungseinheiten aufgrund von linearer
Beschleunigung gesteuert. Dementsprechend beinhalten Verfahren
und System, wie in Figur 8 beschrieben, Mittel zur
Erfassung vertikaler Bewegung der Karosserie relativ
zur horizontalen Globalbezugsebene sowie Mittel zur
Einstellung der von den Aufhängungseinheiten erzeugten
Kraft entsprechend des jeweiligen Taktes, in welchem
die Aufhängungseinheit gerade arbeitet, so daß die
Aufhängungseinheiten eine Netto-Kraft auf die
Karosserie in diejenige Richtung ausüben, die der vertikalen
Bewegung der Karosserie entegegenläuft. Auf diese
Weise wird die von der Aufhängungseinheit auf die
Karosserie ausgeübte Kraft mit dem jeweiligen Arbeitstakt,
in welchem die Aufhängungseinheit gerade arbeitet,
abgestimmt, so daß die Aufhängungseinheit eine Netto-
Kraft auf die Fahrzeugkarosserie in die gewünschte
Richtung, entweder nach oben oder nach unten, ausübt.
Die Aufhängungseinheit übt auf diese Weise eine Netto-
Kraft auf die Kraftfahrzeugkarosserie in nur eine
Richtung aus, weil - obschon die einzelnen Kräfte, die
von der Aufhängungseinheit in Ein- und
Ausfederrichtung aufgebracht werden, dazu neigen, sich gegenseitig
aufzuheben - diese Kräfte doch nicht gleich sind und
sich folglich die Summe der Kräfte auf einen absoluten
Wert größer als Null belüft.
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Setzt man die Größe der von der einstellbaren
Aufhängungseinheit erzeugten Kraft proportional zur
vertikalen Geschwindigkeit der Karosserie relativ zu
einer horizontalen Globalbezugsebene, kann auf diese
Weise, wie festgestellt wurde, ein akzeptables
Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs erzielt werden. Dies
wurde in einem "Sky Hook" Verfahren verwertet.
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Figur 9 offenbart das zuvor erwähnte Sky Hook
Verfahren für den Betrieb einer Aufhängungseinheit gemäß
vorliegender Erfindung. Von Block 106, dem Startblock,
leitet der Computer zu Block 108, in welchem der
Computer mit Hilfe der zuvor beschriebenen Fühler
feststellt, ob sich die Kraftfahrzeugkarosserie relativ zu
einer horizontalen Globalbezugsebene bewegt. Zu diesem
Zweck kann einer der Fühler ein Beschleunigungsmesser
sein oder eine Hoch-, Mittel- oder
Niederfrequenzbereichsvorrichtung wie zum Beispiel eine
Laservorrichtung, ein Radar oder eine Mikrowellenvorrichtung, oder
andere bekannte Vorrichtungen. Wenn die
Fahrzeugkarosserie vertikal eine bestimmte
Schwellenwertgeschwindigkeit nicht überschreitet, kehrt der Computer über
Block 110 zum Startblock zurück. Wenn die Karosserie
in vertikaler Richtung eine
Schwellenwertgeschwindigkeit überschreitet, fragt der Computer in Block 112,
ob sich die Karosserie nach unten bewegt. Wenn sich
die Karosserie nach unten bewegt, wird das
Aufwärtspump-Unterprogramm in Block 114 gewählt.
Dieses Unterprogramm kann genau dasjenige sein, wie das
für das Aufwärtspumpen in Figur 8 gezeigt wurde, oder
eine modifizierte Form dieses Unterprogramms. Die
Ausgabe des Signals für die von der einstellbaren
Aufhängungseinheit gewünschte Dämpfkraft an Stellglied 20 in
Block 116 ist die gleiche wie vorher. Anschließend
leitet der Computer von Block 118 zurück zum
Startblock. Wenn sich die Karosserie nach oben bewegt, ruft
der Computer das Abwärtspump-Unterprogramm in Block
120 ab und gibt ein neues Kraftsignal an das
Stellglied in Block 122 aus. auf diese Weise kann die
Karosserie eine waagerechte Lage beibehalten und das
Kraftfahrzeug kann ohne unnötige, ruckartige vertikale
Karosseriebewegungen aufgrund der Einflüsse von
Rädern/Reifen oder schlechten Straßendecken über die
Straßen gefahren werden. die Größe der gewünschten
Dämpfkraft wird wie folgt vom Computer berechnet.
Zunächst verarbeitet der Computer Daten vom
Beschleunigungsmesser oder von den Beschleunigungsmessern zur
berechnung der vertikalen Fahrzeuggesschwindigkeit.
Diese berechnete Geschwindigkeit wird mit einer
Konstante multipliziert, und das Ergebnis wird dann in
das gewünschte Dämpfkraftsignal gewandelt.
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Eine Steuerung und Aufhängungseinheit kann auch
nach anderen Strategien betrieben werden, wobei das
Aufwärts/Abwärtspumpen und der Sky Hook Algorithmus
oder andere, hier beschriebene Verfahren nur Beispiele
aus einer ganzen Reihe solcher Strategien darstellen.
Darüberhinaus kann die Aufhängungseinheit nach einer
ganz einfachen Strategie betrieben werden, welche bloß
herkömmliche Schwingungsdämpfer nachahmt. Ein
Verfahren mit einer derart einfachen Strategie würde
nichtsdestoweniger einen deutlichen Vorteil aufweisen, weil
die Aufhängung keine Leistungsmängel zeigt, wie andere
Arten der hydraulischen Schwingungsdämpfer und der
Reibungsschwingungsdämpfer. Folglich erfährt die
Aufhängungseinheit auch keine Verschleuchterung der
Dämpfkapazität aufgrund von Verschleiß, Überhitzung oder
Schäumen der hydraulischen Flüssigkeit.
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Das beschriebene System und das Verfahren zum
Betreiben einer Aufhängungseinheit ist besonders
vorteilhaft, weil das System in der Lage ist, den
jeweiligen Takt zu bestimmen, in welchem die Aufhängung
gerade arbeitet, und das System außerdem in der Lage
ist, die von der Aufhängungseinheit entwickelte Kraft
entsprechend des Takts der Einheit einzustellen, so
daß die Aufhängungseinheit eine Netto-Kraft auf die
Kraftfahrzeugkarosserie indie gewünschte Richtung
ausüben kann. Ein weiterer Vorteil des vorliegenden
Systems liegt in der Tatssache, daß nur wenig Energie
zum Betreiben des Systems notwendig ist. Im Gegensatz
zu anderen hydraulischen oder pneumatischen Systemen,
ermöglicht die semi-aktive Natur des vorgestellten
Systems, daß während des Betriebs nur sehr wenig
Energie verbraucht wird.
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Der Ausdruck "Karosserie" bezieht sich in diesem
Text auf eine herkömmliche Karosserie eines
Kraftfahrzeugs oder auf eine herkömmliche Karosserie eines
Kraftfahrzeugs und Fahrwerkkombination.
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Zweifellos werden dem Fachmann zahlreiche mögliche
Veränderungen und Variationen zu dieser Erfindung
bekannt sein. So können selbstverständlich die einzelnen
Fühler in Verbindung mit dem hier offenbarten System
anders gewählt werden, als es hier beschrieben wurde.