WO2018041298A1 - Stossdämpfer und verfahren zum betrieb eines stossdämpfer - Google Patents

Stossdämpfer und verfahren zum betrieb eines stossdämpfer Download PDF

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    • F16F2232/00—Nature of movement
    • F16F2232/06—Translation-to-rotary conversion

Definitions

  • the invention relates to a shock absorber suitable for use in a motor vehicle with two damper parts which are adjustable relative to one another and which comprises a rotating electrical machine which is forcibly actuated during a relative movement between the damper parts.
  • Such a shock absorber namely electromagnetic shock absorber
  • electromagnetic shock absorber a telescopic motion is converted to a rotary motion using a ball screw device. The rotational movement is damped by electromagnetic forces of an engine.
  • the invention has for its object to provide a comparison with the cited prior art, suitable for a chassis of a motor vehicle shock absorber, which converts a linear motion into a rotary motion indicate, which in particular by an uncritical behavior in case of failure, which electrical or electronic components concerns, distinguishes.
  • This object is achieved by a shock absorber with the features of claim 1.
  • This shock absorber has in known per se basic structure on two mutually displaceable damper parts, wherein a linear movement between the damper parts in a rotation of an electric machine, that is an engine and / or generator, is implemented.
  • the electric machine is coupled to a drive unit which is used to produce a ner short circuit is formed in the generator operation of the electric machine.
  • the short circuit is triggered automatically in an error case concerning the drive unit.
  • a shock absorber with an electric machine two damper parts displaceable relative to one another, and a transmission for converting a linear movement between the damper parts into a rotary movement of a component of the electric motor, that is, a rotor, is provided,
  • the electric machine of the shock absorber is preferably a three-phase motor / generator used.
  • the motor / generator is a permanent magnet-excited electric machine.
  • a reluctance motor which can also be used in generator mode, is suitable as the electric machine of the shock absorber.
  • the electric machine has windings, in particular stator windings, which can be short-circuited automatically by the short circuit in generator operation, in particular by means of a short-circuit relay. Compared to an electric motor with open motor phases, the short-circuit of the stator windings builds up a significantly higher, damping moment corresponding to the short-circuit characteristic of the electric machine.
  • Shock absorbers according to the invention can be installed either on a single axle or on all axles of a motor vehicle.
  • the vehicle may be a passenger car as well as a truck or other commercial vehicle.
  • the failure of the electric machine and / or its control, which is accompanied by an immediate activation of the short-circuit, is advantageously indicated acoustically and / or visually to the driver of the vehicle without delay.
  • the driving readiness of the vehicle is maintained in case of failure of the electric machine of the shock absorber in typical applications, the driving style of the due to the failure of the electric machine limited function of the shock absorber is adjusted. If the electric machines of the shock absorbers on both sides of the vehicle fail, for example as a result of an interruption of the power supply affecting the entire vehicle, symmetrical driving behavior is nevertheless provided with the emergency operation in which the shock absorbers are operated by means of the short circuit. This means that with left-hander bends and right-handers or with evasive maneuvers in different directions, no different driving behavior occurs. However, depending on the fault, it is also conceivable that only a shock absorber on a single side of the vehicle falls into emergency operation, in which the short circuit is activated. In an advantageous design of the vehicle can be provided in such asymmetric fault case, to transfer the electric machine of the shock absorber on the other side of the vehicle in the operation with short circuit to restore the symmetry of driving behavior.
  • the drive unit which controls the electric machine in the intended, undisturbed operation of the shock absorber, as well as an intended for the production of short-circuiting element, in particular a short-circuit relay, either be integrated in the electric machine, be mounted within the shock absorber to the electric machine, or spatially separated from the damper parts and from the transmission which couples these parts to the electric machine.
  • the short-circuit relay can be arranged either inside or outside a structural unit which comprises further components of the drive unit.
  • the implementation of the linear movement between the damper parts in a rotary movement of the electrical machine of the shock absorber takes place in a preferred embodiment by means of a ball screw, which is integrated in the shock absorber.
  • a ball screw which is integrated in the shock absorber.
  • other types of gears such as a simple movement thread without Wälzköper, for the implementation of the linear movement between the damper parts in a rotation into consideration, as long as it is not a self-locking gear.
  • the rotor of the electric machine is rotatably connected to a spindle nut of the crank screw.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a shock absorber with drive unit, 2 shows characteristics of the shock absorber according to FIG. 1
  • a shock absorber generally designated by the reference numeral 1 in FIG. 1 for a motor vehicle, comprises two damper parts 2, 3 displaceable relative to one another. While one of the damper parts 2, 3 is connected to a wheel carrier of the motor vehicle, the other damper part 3, 2 is connected to the vehicle body connected to the motor vehicle.
  • FIG. 1 also shows a spring plate 4, which is connected to the damper part 2.
  • a supported on the spring plate 4 spring, namely coil spring is not shown.
  • the shock absorber 1 an electric machine 5, which is designed as a three-phase motor / generator.
  • the electric machine 5, which is a brushless DC motor (BLDC motor) is formed as an inner rotor.
  • a rotor of the electric machine 5 is denoted by 6, a stator by 7.
  • a displacement between the two damper parts 2, 3 is converted by means of a gear, namely a ball screw 8, into a rotation of the rotor 6, wherein a spindle nut of the ball screw 8 is rotatably connected to the rotor 6.
  • the associated threaded spindle of the screw 8, however, is firmly connected to the damper part 3.
  • the phases designated as U, V, W in FIG. 1 of the electric machine 5 which can be operated as a generator are actuated by means of a drive unit 9.
  • the drive unit 9 comprises a short-circuit relay 10.
  • the damping force of the shock absorber 1, namely electromagnetic shock absorber, influenced in a conventional manner by the drive unit 9 influence on the current flow in the phases U, V, W and thus in the electrical Machine 5 acting electromagnetic forces is taken.
  • the short-circuit relay 10 does not come into operation here.
  • the short-circuit relay 10 closes the phases U, V, W of the electric machine 5 immediately short, thus a short circuit is realized.
  • the electric machine 5 is thus according to the sketched in Fig. 2 characteristics, on the one hand the moment M (in Newton meters) and on the other the voltage U (in volts) as a function of the speed n (in revolutions per minute) of the rotor. 6 show, operated.
  • the electric machine 5 builds in a wide speed range, a significant moment M, which acts as a braking torque on.
  • the shock absorber 1 this is thus further suitable to allow safe operation of the motor vehicle.
  • a fully functional drive unit 9 here are restrictions to be considered, which must be considered when driving the motor vehicle.
  • the motor vehicle can continue to be driven despite the failed control unit 9.

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Abstract

Ein Stoßdämpfer für ein Kraftfahrzeug umfasst zwei relativ zueinander verstellbare Dämpferteile, sowie eine bei einer Verschiebung zwischen den Dämpferteilen betätigte rotierende elektrische Maschine. Die elektrische Maschine ist mit einer Ansteuereinheit gekoppelt, welche zur Herstellung einer Kurzschlussschaltung im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine ausgebildet ist.

Description

STOSSDÄMPFER UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES STOSSDÄMPFER
Die Erfindung betrifft einen zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeigneten Stoß- dämpfer mit zwei relativ zueinander verstellbaren Dämpferteilen, welcher eine rotierende elektrische Maschine umfasst, die bei einer Relativbewegung zwischen den Dämpferteilen zwangsweise betätigt wird.
Ein derartiger Stoßdämpfer, nämlich elektromagnetischer Stoßdämpfer, ist beispiels- weise aus der EP 1 515 064 B1 bekannt. In dem elektromagnetischen Stoßdämpfer wird eine teleskopische Bewegung unter Verwendung einer Kugelumlaufspindelvorrichtung in eine Drehbewegung umgewandelt. Die Drehbewegung wird durch elektromagnetische Kräfte eines Motors gedämpft.
Ein weiterer Stoßdämpfer, in welchem eine lineare Bewegung in eine rotative Bewegung umgewandelt wird, ist zum Beispiel in der DE 10 2010 013 935 A1 offenbart. In diesem Fall wird durch eine Fliehkraftbremse eine weitere Dämpfung bereitgestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelten, für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs geeigneten Stoßdämpfer, der eine Linearbewegung in eine rotative Bewegung umsetzt, anzugeben, welcher sich insbesondere durch ein unkritisches Verhalten im Fehlerfalle, was elektrische oder elektronische Komponenten betrifft, auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Stoßdämpfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Dieser Stoßdämpfer weist in an sich bekanntem Grundaufbau zwei relativ zueinander verschiebbare Dämpferteile auf, wobei eine Linearbewegung zwischen den Dämpferteilen in eine Rotation einer elektrischen Maschine, das heißt eines Motors und/oder Generators, umgesetzt wird. Erfindungsgemäß ist die elektrische Maschine mit einer Ansteuereinheit gekoppelt, welche zur Herstellung ei- ner Kurzschlussschaltung im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Die Kurzschlussschaltung wird selbsttätig in einem die Ansteuereinheit betreffenden Fehlerfall ausgelöst.
Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Betriebsverfahren eines in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs befindlichen elektromagnetischen Stoßdämpfers gemäß Anspruch 6. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Merkmale:
- Ein Stoßdämpfer mit einer elektrischen Maschine, zwei relativ zueinander ver- schiebbaren Dämpferteilen, sowie einem Getriebe zur Umsetzung einer Linearbewegung zwischen den Dämpferteilen in eine rotative Bewegung einer Komponente des Elektromotors, das heißt eines Rotors, wird bereitgestellt,
- bei einem Ausfall der Energieversorgung der elektrischen Maschine und/oder einer Ansteuereinheit der elektrischen Maschine wird diese unter Herstellung einer Kurzschlussschaltung, mit welcher Statorwicklungen der elektrischen Maschine kurzgeschlossen werden, generatorisch betrieben.
Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Stoßdämpfer erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
Als elektrische Maschine des Stoßdämpfers kommt vorzugsweise ein dreiphasiger Motor/Generator zum Einsatz. Beispielsweise handelt es sich bei dem Motor/Generator um eine permanentmagneterregte elektrische Maschine. Ebenso ist beispielsweise ein Reluktanzmotor, welcher auch im generatorischen Betrieb ver- wendbar ist, als elektrische Maschine des Stoßdämpfers geeignet. In jedem Fall weist die elektrische Maschine Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen, auf, welche durch die Kurzschlussschaltung im generatorischen Betrieb selbsttätig, insbesondere mittels eines Kurzschlussrelais, kurzgeschlossen werden können. lm Vergleich zu einem Elektromotor mit geöffneten Motorphasen wird durch den Kurz- schluss der Statorwicklungen ein wesentlich höheres, dämpfend wirkendes Moment entsprechend der Kurzschlusskennlinie der elektrischen Maschine aufgebaut.
Bei einem Ausfall der elektrischen Maschine, insbesondere einem Ausfall einer Ansteuerelektronik der elektrischen Maschine, bedeutet dies, dass der Stoßdämpfer dank der Kurzschlussschaltung mit einer hohen Dämpfung im Vergleich zu einer sehr geringen Dämpfung, welche bei Ausfall der elektrischen Maschine ohne Kurzschlussschaltung gegeben wäre, betrieben wird. Damit ist trotzt entfallener Regelungsmög- lichkeit des Stoßdämpfers ein wesentlich sichereres Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs als mit komplett ausgefallener elektrischer Maschine des Stoßdämpfers gegeben.
Erfindungsgemäße Stoßdämpfer können entweder an einer einzigen Achse oder an allen Achsen eines Kraftfahrzeugs verbaut sein. Bei dem Fahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen ebenso wie um einen Lastkraftwagen oder ein sonstiges Nutzfahrzeug handeln. Der Ausfall der elektrischen Maschine und/oder ihrer Ansteue- rung, welcher mit einer sofortigen Aktivierung der Kurzschlussschaltung einhergeht, wird in vorteilhafter Weise dem Fahrer des Fahrzeugs unverzüglich akustisch und/oder optisch angezeigt.
Die Fahrbereitschaft des Fahrzeugs bleibt bei Ausfall der elektrischen Maschine des Stoßdämpfers in typischen Anwendungsfällen erhalten, wobei die Fahrweise der durch den Ausfall der elektrischen Maschine bedingten eingeschränkten Funktion des Stoßdämpfers anzupassen ist. Fallen, etwa aufgrund einer das Gesamtfahrzeug be- treffenden Unterbrechung der Stromversorgung, die elektrischen Maschinen der Stoßdämpfer beider Fahrzeugseiten aus, so ist mit dem Notbetrieb, in welchem die Stoßdämpfer mittels der Kurzschlussschaltung betrieben werden, dennoch ein symmetrisches Fahrverhalten gegeben. Dies bedeutet, dass bei Linkskurven und bei Rechtskurven oder bei Ausweichmanövern in unterschiedliche Richtungen kein unter- schiedliches Fahrverhalten auftritt. Je nach Fehlerfall ist es jedoch auch denkbar, dass lediglich ein Stoßdämpfer auf einer einzigen Fahrzeugseite in den Notbetrieb fällt, in welchem die Kurzschlussschaltung aktiviert ist. In vorteilhafter Auslegung des Fahrzeugs kann in einem solchen asymmetrischen Fehlerfall vorgesehen sein, auch die elektrische Maschine des Stoß- dämpfers auf der anderen Fahrzeugseite in den Betrieb mit Kurzschlussschaltung zu überführen, um die Symmetrie des Fahrverhaltens wieder herzustellen.
Die Ansteuereinheit, welche die elektrische Maschine im bestimmungsgemäßen, ungestörten Betrieb des Stoßdämpfers ansteuert, kann ebenso wie ein zur Herstellung der Kurzschlussschaltung vorgesehenes Element, insbesondere ein Kurzschlussrelais, entweder in die elektrische Maschine integriert sein, innerhalb des Stoßdämpfers an die elektrische Maschine angebaut sein, oder räumlich von den Dämpferteilen sowie von dem Getriebe, welches diese Teile mit der elektrischen Maschine koppelt, getrennt sein. Ebenso kann das Kurzschlussrelais entweder innerhalb oder außerhalb einer Baueinheit, welche weitere Komponenten der Ansteuereinheit umfasst, angeordnet sein.
Die Umsetzung der Linearbewegung zwischen den Dämpferteilen in eine rotative Bewegung der elektrischen Maschine des Stoßdämpfers erfolgt in bevorzugter Ausge- staltung mittels eines Kugelgewindetriebs, welcher in den Stoßdämpfer integriert ist. Ebenso kommen andere Getriebetypen, beispielsweise ein einfaches Bewegungsgewinde ohne Wälzköper, für die Umsetzung der Linearbewegung zwischen den Dämpferteilen in eine Rotation in Betracht, solange es sich nicht um ein selbsthemmendes Getriebe handelt. In allen Fällen ist vorzugsweise der Rotor der elektrischen Maschine drehfest mit einer Spindelmutter des Kurbelgewindetriebs verbunden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Fig. 1 in schematisierter Darstellung einen Stoßdämpfer mit Ansteuereinheit, Fig. 2 Kennlinien des Stoßdämpfers nach Fig. 1
Ein in Fig. 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Stoßdämpfer für ein Kraftfahrzeug umfasst zwei relativ zueinander verschiebbare Dämpferteile 2, 3. Während eines der Dämpferteile 2,3 mit einem Radträger des Kraftfahrzeugs verbunden ist, ist das andere Dämpferteil 3,2 mit dem Fahrzeugaufbau des Kraftfahrzeugs verbunden.
In Fig. 1 ist ferner ein Federteller 4 erkennbar, welcher mit dem Dämpferteil 2 verbun- den ist. Eine am Federteller 4 abgestützte Feder, nämlich Schraubenfeder, ist nicht dargestellt. Weiter weist der Stoßdämpfer 1 eine elektrische Maschine 5 auf, die als dreiphasiger Motor/Generator ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 5, bei welcher es sich um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) handelt, ist als Innenläufer ausgebildet. Ein Rotor der elektrischen Maschine 5 ist mit 6, ein Stator mit 7 be- zeichnet. Eine Verschiebung zwischen den beiden Dämpferteilen 2, 3 wird mittels eines Getriebes, nämlich eines Kugelgewindetriebs 8, in eine Rotation des Rotors 6 umgesetzt, wobei eine Spindelmutter des Kugelgewindetriebs 8 drehfest mit dem Rotor 6 verbunden ist. Die zugehörige Gewindespindel des Gewindetriebs 8 ist dagegen fest mit dem Dämpferteil 3 verbunden.
Die in Fig. 1 mit U, V, W bezeichneten Phasen der als Generator betreibbaren elektrischen Maschine 5 werden mittels einer Ansteuereinheit 9 angesteuert. Die Ansteuer- einheit 9 umfasst ein Kurzschlussrelais 10.
Solange die Ansteuereinheit 9 uneingeschränkt funktionsfähig ist, wird die Dämpfungskraft des Stoßdämpfers 1 , nämlich elektromagnetischen Stoßdämpfers, in an sich bekannter Weise beeinflusst, indem durch die Ansteuereinheit 9 Einfluss auf den Stromfluss in den Phasen U, V, W und damit auf die in der elektrischen Maschine 5 wirkenden elektromagnetischen Kräfte genommen wird. Das Kurzschlussrelais 10 tritt hierbei nicht in Funktion. Bei einem Ausfall der Ansteuereinheit 9 schließt das Kurzschlussrelais 10 die Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 5 sofort kurz, womit eine Kurzschlussschaltung realisiert ist. Die elektrische Maschine 5 wird damit entsprechend den in Fig. 2 skizzierten Kennlinien, die zum einen das Moment M (in Newtonmeter) und zum anderen die Spannung U (in Volt) in Abhängigkeit von der Drehzahl n (in Umdrehungen pro Minute) des Rotors 6 zeigen, betrieben.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, baut die elektrische Maschine 5 in einem weiten Drehzahlbereich ein signifikantes Moment M, welches als Bremsmoment wirkt, auf. Trotz des ungeregelten Betriebs, das heißt Notbetriebs, des Stoßdämpfers 1 ist dieser damit weiterhin geeignet, einen sicheren Betrieb des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen. Im Vergleich zu einer voll funktionsfähigen Ansteuereinheit 9 sind hierbei Einschränkungen hinzunehmen, welche beim Fahren des Kraftfahrzeugs zu beachten sind. In jedem Fall kann das Kraftfahrzeug trotz ausgefallener Ansteuereinheit 9 dank der Kurz- schlussschaltung 10 weiter gefahren werden.
Bezugszeichenliste
Stoßdämpfer
Dämpferteil
Dämpferteil
Federteller
elektrische Maschine
Rotor
Stator
Getriebe, Kugelgewindetrieb
Ansteuereinheit
Kurzschlussrelais

Claims

Patentansprüche
1 . Stoßdämpfer (1 ), mit zwei relativ zueinander verstellbaren Dämpferteilen (2,3), sowie mit einer bei einer Verschiebung zwischen den Dämpferteilen (2,3) betätigten rotierenden elektrischen Maschine (5), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (5) mit einer Ansteuereinheit (9) gekoppelt ist, welche zur Herstellung einer Kurzschlussschaltung im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine (5) ausgebildet ist.
2. Stoßdämpfer (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (5) als dreiphasiger Motor/Generator ausgebildet ist.
3. Stoßdämpfer (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Kugelgewindetrieb (8) zur Umsetzung der Linearbewegung zwischen den Dämpferteilen (2,3) in eine rotative Bewegung umfasst.
4. Stoßdämpfer (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (6) der elektrischen Maschine (5) drehfest mit einer Spindelmutter des Kugelgewindetriebs (8) verbunden ist.
5. Stoßdämpfer (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Dämpferteile (2) mit einem Federteller (4) verbunden ist.
6. Verfahren zum Betrieb eines Stoßdämpfers (1 ) in einem Fahrwerk eines Kraftfahrzeug, mit folgenden Merkmalen:
- Ein Stoßdämpfer (1 ) mit einer elektrischen Maschine (5), zwei relativ zueinander verschiebbaren Dämpferteilen (2,3), sowie einem Getriebe (8) zur Umsetzung der Linearbewegung zwischen den Dämpferteilen (2,3) in eine rotative Bewegung eines Rotors (6) der elektrischen Maschine (5) wird bereitgestellt,
- bei einem Ausfall der Energieversorgung der elektrischen Maschine (5) wird diese unter Herstellung einer Kurzschlussschaltung generatorisch betrieben.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Kurzschlussschaltung mittels eines Kurzschlussrelais (10) erfolgt.
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