DE4414022A1 - Aktives Federungssystem - Google Patents

Aktives Federungssystem

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Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Federungssystem, ins­ besondere für Kraftfahrzeuge, dessen zwischen gefederter und ungefederter Masse angeordnete Feder- bzw. Abstützaggregate jeweils ein passives ungesteuertes Federelement sowie ein dazu in Reihe angeordnetes hydraulisches Verdrängeraggregat mit regelbarer Verstellung aufweisen.
Ein entsprechendes rechnergesteuertes Federungssystem ist Gegenstand der DE 40 26 790 C1. Dort werden die Verdränger­ aggregate mittels eines Speichers versorgt, dessen Kapazität für eine Kurzzeitaktivierung bemessen ist. Damit lassen sich kritische Situationen ausregeln. Im übrigen arbeitet das Federungssystem wie ein herkömmliches passives Federsystem. Aufgrund dieser Betriebsweise genügt zum Nachladen des Speichers eine Ladevorrichtung mit geringer Leistung.
Aus der US-A 3 606 233 ist es bekannt, bei einem Federungs­ system der eingangs angegebenen Art den Druck im Verdränger­ aggregat in Abhängigkeit von vorzugebenden Parametern zu regeln, um eine möglichst weitgehende schwingungsmäßige Abkopplung zwischen gefederter und ungefederter Masse zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein aktives Federungs­ system mit einfach ausführbarer Regelung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem System der eingangs angegebenen Art den Feder­ bzw. Abstützaggregaten jeweils Weggeber zugeordnet sind, welche sowohl die jeweilige Hubstellung (x) der ungefederten Masse relativ zur gefederten Masse als auch den Hub (y) des jeweiligen Verdrängeraggregates - vorzugsweise direkt - er­ fassen, daß Istwerte der jeweils zwischen gefederter Masse und ungefederter Masse wirksamen Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen aus dem mittels der Weggebersignale erfaßbaren Feder­ zustand des passiven ungesteuerten Federelementes ermittelt werden, und daß die Regelung der Verstellung der Verdränger­ aggregate in Abhängigkeit von vorzugebenden Sollwerten der Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen erfolgt.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem aktiven Federungssystem auf die unmittelbare Er­ fassung von Abstützkräften bzw. in Fluidaggregaten wirk­ samen Drücken vollständig zu verzichten und die zwischen gefederter und ungefederter Masse wirksamen Abstützkräfte ausschließlich durch Wegmessung bzw. die Erfassung von Hubstellungen zu ermitteln.
Hierbei wird erfindungsgemäß genutzt, daß bei einem Federungs­ system der eingangs angegebenen Art die jeweils an einem Feder- bzw. Abstützaggregat wirksamen Abstützkräfte einer­ seits durch die konstruktiv vorgegebene Federcharakteristik des passiven ungesteuerten Federelementes und andererseits durch die Differenz (x-y) zwischen der Hubstellung (x) der ungefederten Masse relativ zur gefederten Masse und dem Hub (y) des jeweiligen Verdrängeraggregates vorgegeben wird, weil diese Differenz den Federzustand, d. h. das Maß der Federspannung, des passiven ungesteuerten Federelementes umkehrbar eindeutig wiedergibt.
Die Erfindung bietet den Vorzug einer besonders einfachen Regelungstechnik, da Wegmessungen bzw. die Messungen von Größen, die zum Weg analog sind, besonders einfach durch­ führbar sind. Auch der übrige konstruktive Aufwand ist relativ gering. Im wesentlichen werden lediglich eine hinreichend leistungsfähige Druckquelle sowie Steuerventile für den Zu- bzw. Abfluß von Hydraulikmedium zum bzw. vom Verdrängeraggregat benötigt. Hierbei ist vorteilhaft, daß relativ wenig Leistung benötigt wird, um das Verdrängeraggre­ gat in einer gewünschten Stellung zu halten; hierzu genügt im wesentlichen die Sperrung von Ventilen.
Des weiteren ist vorteilhaft, daß Reibung in den Verdränger­ aggregaten keine Einbußen hinsichtlich des Abrollkomforts bewirkt, weil das passive ungesteuerte Federelement ständig wirksam bleibt. Im übrigen kann die Reibung bei der Lage­ regelung der Verdrängeraggregate kompensiert werden.
Falls im Rechner des Federungssystems Fehler auftreten sollten, kann ohne weiteres ein Notbetrieb durchgeführt werden, indem die Verdrängeraggregate automatisch oder durch manuelle Steuerung in eine vorgegebene Lage gebracht und in dieser Lage stillgesetzt bzw. durch Sperrung der Ventile hydraulisch blockiert werden. Damit arbeitet das Federsystem wie ein herkömmliches rein passives System.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung einer in der Zeichnung dargestellten vorteil­ haften Ausführungsform verwiesen.
Dabei zeigt die einzige Figur eine schematisierte schalt­ planartige Darstellung eines zwischen einem Rad und einem Fahrzeugaufbau angeordneten Feder- und Abstützaggregates gemäß der Erfindung.
Zwischen einem Aufbau 1 eines Kraftfahrzeuges, welcher die gefederte Masse bildet, und einem Rad 2, welches eine ungefederte Masse bildet, ist in grundsätzlich bekannter Weise ein passives ungesteuertes Federelement 3, beispiels­ weise in Form einer Stahl-Schraubendruckfeder, angeordnet. Das aufbauseitige Widerlager des Federelementes 3 ist als Plunger 4 eines am Aufbau 1 angeordneten hydraulischen Verdrängeraggregates 5 ausgebildet, welches über ein Regel­ ventil 6 mit einer hydraulischen Druckquelle 7 bzw. mit einem im wesentlichen drucklosen Reservoir 8 stufenlos verbindbar bzw. gegenüber Druckquelle 7 und Reservoir 8 abschließbar ist.
Zur Steuerung des Regelventiles 6 dient eine Steuer- bzw. Regelelektronik 9, welche eingangsseitig mit Sensoren 10 und 11 für die Hubstellung x des Rades 2 relativ zum Auf­ bau 1 sowie den Hub y des Plungers 4 relativ zum Aufbau 1 verbunden ist.
Im übrigen kann die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 eingangs­ seitig mit weiteren Sensoren 12 verbunden sein, die zur Überwachung weiterer Parameter dienen - beispielsweise der Aufbaubeschleunigung, der Radbeschleunigung, des Lenkrad­ winkels, der Giergeschwindigkeit, der Fahrgeschwindigkeit usw. des Fahrzeuges - und eine Beeinflussung der Feder- und Dämpferrate des Aufbaus, des Eigenlenkverhaltens des Fahrzeuges und/oder eine Einstellung der Aufbaulage (Aufbauhorizontierung) ermöglichen.
Darüber hinaus können eingangsseitig der Steuer- bzw. Regelelektronik 9 willkürlich betätigbare Schalter 13 ange­ ordnet sein, mit denen sich verschiedene Steuer- bzw. Regel­ abstimmungen einschalten lassen.
Parallel zum Federelement 3 ist ein konventioneller oder - zweckmäßigerweise - einschaltbarer Stoßdämpfer 14 ange­ ordnet, wobei der Stoßdämpfer 14 zwischen dem Aufbau 1 und dem Rad 2 bzw. dem radseitigen Widerlager des Feder­ elementes 3 arbeitet.
Der Stoßdämpfer 14 ist zweckmäßigerweise so abgestimmt, daß er bei der sogenannten Radresonanz besonders dämpfungs­ wirksam ist, d. h. wenn die Räder 2 zu "trampeln" suchen.
Die dargestellte Anordnung arbeitet im wesentlichen wie folgt:
Aus den die Hubstellungen x der Räder 2 relativ zum Aufbau 1 wiedergebenden Signalen der Sensoren 10 ermittelt die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 - gegebenenfalls unter Berück­ sichtigung der Signale der weiteren Sensoren 12 - einen Sollwert der Abstützkraft, welche zwischen dem Aufbau 1 und dem jeweiligen Rad 2 wirksam sein soll. Statt dessen kann auch eine zur Abstützkraft analoge Größe vorgegeben werden. Für den Sollwert Asoll der Abstützkraft gilt:
Asoll = k (x-y)soll,
wobei k der Elastizitätskoeffizient des Federelementes 3 ist. Die einfache Möglichkeit der Berechnung von Asoll beruht darauf, daß der Wert der Abstützkraft im wesentlichen durch die Federspannung des Federelementes 3 bestimmt wird; diese Federspannung ändert sich analog zur Differenz x-y.
In entsprechender Weise kann der Istwert Aist der jeweils zwischen Aufbau 1 und Rad 2 wirksamen Abstützkraft aus den Signalen der Sensoren 10 und 11 ermittelt werden:
Aist = k (x-y)ist.
Die bei der Erfindung mögliche Regelung der Abstützkräfte durch Soll-Istwert-Vergleich kann also durch Soll-Istwert- Vergleich der Wegstrecken (x-y)soll und (x-y)ist erfolgen.
Um die gewünschte Regelung ausführen zu können, muß lediglich gewährleistet sein, daß sich der Plunger 4 des Verdrängeraggregates 5 im Vergleich zu den möglichen Relativgeschwindigkeiten zwischen Aufbau 1 und Rädern 2 vergleichsweise schnell verstellen läßt. Dazu muß die Druckquelle 7 eine entsprechende Leistung haben, außerdem muß das Regelventil 6 entsprechend große Querschnitte steuern können.
Sollte die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 ausfallen oder fehlerhaft arbeiten, ist ohne weiteres ein Notbetrieb möglich, bei dem der Plunger 4 hydraulisch in einer vorzugebenden Lage im Verdrängeraggregat 5 blockiert und der Stoßdämpfer 14, soweit er schaltbar ist, auf harte Dämpfung geschaltet wird.
Die Einschaltung des Notbetriebes kann automatisch beim Auftreten eines Fehlers in der Steuer- bzw. Regelelektronik erfolgen. Statt dessen ist es auch möglich, daß der Fahrer zur Einschaltung des Notbetriebes entsprechende Steuer­ organe betätigt.
Die die Hubstellungen x der Räder 2 wiedergebenden Signale der Sensoren 10 werden vorzugsweise für die Berechnung des Ist-Wertes der Abstützkraft des Federelementes 3 gefiltert, um in diesem Zusammenhang schnelle Radbewegungen unberück­ sichtigt zu lassen. Denn in erster Linie sollen durch Ver­ stellung des Plungers 4 Bewegungen des Aufbaus 1 beeinflußt werden, welche vergleichsweise langsam sind.
Gleichwohl sollen die Signale der Sensoren 10 auch schnelle Radbewegungen wiedergeben können, damit die Steuer- bzw. Regelelektronik 9 bei Radbewegungen in der Nähe der Rad­ resonanzfrequenz die Möglichkeit besitzt, den Stoßdämpfer 14 zur Dämpfung dieser Radresonanz einzuschalten.
Durch die Regelung der Abstützkräfte werden bei der Erfindung im wesentlichen nur die relativ langsamen Bewegungen des Fahrzeugaufbaus beeinflußt. Die vergleichsweise schnellen Radbewegungen, insbesondere im Bereich der Radresonanz, werden praktisch allein durch den Dämpfer 14 (dämpfend) beeinflußt. Da die Aufbaubewegungen typischerweise eine Frequenz von 1 bis 2 Hz haben, während die Frequenz der Radresonanz etwa bei 15 bis 20 Hz liegt, kann also die zur Beeinflussung der Aufbaubewegungen dienende Regelung der Abstützkräfte relativ langsam arbeiten.
Zwischen der Pumpe 7 und dem Regelventil 6 ist zweckmäßiger­ weise noch ein nicht dargestellter Druckspeicher angeordnet.

Claims (5)

1. Aktives Federungssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, dessen zwischen gefederter und ungefederter Masse ange­ ordnete Feder- bzw. Abstützaggregate jeweils ein passives ungesteuertes Federelement sowie ein dazu in Reihe ange­ ordnetes hydraulisches Verdrängeraggregat mit regelbarer Verstellung aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
daß den Feder- bzw. Abstützaggregaten (3, 5) jeweils Weggeber (10, 11) zugeordnet sind, welche sowohl die jeweilige Hubstellung (x) der ungefederten Masse (2) relativ zur gefederten Masse (1) als auch den Hub (y) des jeweiligen Verdrängeraggregates (5) - vorzugsweise direkt - erfassen,
daß Istwerte (Aist) der jeweils zwischen gefederter Masse (1) und ungefederter Masse (2) wirksamen Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen aus dem mittels der Weggebersignale erfaß­ baren Federzustand des passiven ungesteuerten Federelemen­ tes (3) ermittelt werden und
daß die Regelung der Verstellung des Verdrängeraggregates (5) in Abhängigkeit von vorzugebenden Sollwerten (Asoll) der Abstützkräfte bzw. dazu analoger Größen erfolgt.
2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgeschwindigkeit des Verdrängeraggregates (5) größer als die möglichen Geschwindigkeiten der gefederten Masse (1) relativ zu einem stationären System ist.
3. Federungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Federelement (3) mindestens ein schaltbarer Stoßdämpfer (14) angeordnet ist, welcher zur Dämpfung von Resonanzerscheinungen - insbesondere Radresonanz - abge­ stimmt ist.
4. Federungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßdämpfer (14) zwischen gefederter Masse (1) bzw. Fahrzeugaufbau und ungefederter Masse (2) bzw. Rad oder radseitigem Widerlager des Federelementes (3) an­ geordnet ist.
5. Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugebenden Sollwerte (Asoll) durch Sensoren (12, 13), die vorgebbare Parameter überwachen, veränderbar sind.
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