DE102005058254A1

DE102005058254A1 - Magnetorheologische Vorrichtung und magnetorheologisches System sowie Verfahren zur Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102005058254A1
Application number: DE102005058254A
Authority: DE
Inventors: Chandra S. Troy Namuduri
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: DE102005058254B4; US20080041677A1; US7303056B2; US7686143B2; US20060124413A1

Abstract

Es ist ein steuerbarer magnetorheologischer (MR) Dämpfer mit einem ersten, zweiten und dritten Abschnitt offenbart. Der erste und zweite Abschnitt besitzen einen Translationsfreiheitsgrad dazwischen, und der dritte Abschnitt besitzt einen Rotationsfreiheitsgrad bezüglich des ersten und zweiten Abschnitts. Der erste und dritte Abschnitt sind über einen Wandler zur Umwandlung von Translation in Rotation gekoppelt, und der zweite und dritte Abschnitt sind über ein magnetorheologisches (MR) Fluid gekoppelt. Ein Lager ist zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt angeordnet, um eine Seitenlast dazwischen zu stützen, ein Magnetfeldgenerator steht in Feldverbindung mit dem magnetorheologischen Fluid, und ein Signalpfad steht in Signalverbindung mit dem Magnetfeldgenerator. Der dritte Abschnitt reagiert auf eine Translationsbewegung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt mit Rotation, die Scherspannungscharakteristik des magnetorheologischen Fluids reagiert auf den Magnetfeldgenerator, und der Magnetfeldgenerator reagiert steuerbar auf ein Anregungssignal von dem Signalpfad.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen magnetorheologischen Dämpfer und insbesondere einen steuerbaren magnetorheologischen Dämpfer zum Dämpfen des Aufhängungs- bzw. Federungssystems eines Fahrzeugs wie auch ein Steuersystem und -verfahren zur Verwendung desselben.
Fahrzeugaufhängungssysteme verwenden Dämpfungsvorrichtungen oder Stoßdämpfer zur Steuerung von Schwingungen der Karosserie und Räder aufgrund von Straßenunebenheiten, die auf das Masse-Feder-System der Fahrzeugkarosserie, der Räder wie auch Aufhängungsfedern aufgebracht werden. Ein Fahrzeugaufhängungsdämpfer sieht gewöhnlich eine Widerstandskraft proportional zu der relativen Geschwindigkeit der Karosserie und dem Rad vor. Passive Dämpfer können eine mit Öl gefüllte Zylinder- und Kolbenanordnung verwenden, während aktive und steuerbare Dämpfer eine mit magnetorheologischem (MR) Fluid gefüllte Zylinder- und Kolbenanordnung verwenden können, bei der die Viskosität des MR-Fluides durch die Einführung eines Magnetfeldes geändert werden kann. Derartige MR-Dämpfer verwenden jedoch große Mengen an MR-Fluid, wie beispielsweise mehr als einen Liter pro Fahrzeug, erfordern eine spezielle Oberflächenbearbeitung der Kolbenstange und der Innenfläche der Zylinderwand und erfordern spezielle Dichtungen, um einen Abrieb von dem MR-Fluid zu minimieren. Passive und aktive Dämpfer können in Federbeinen in dem Vorderbereich eines Fahrzeugs und/oder als Stoßdämpfer in dem hinteren Bereich des Fahrzeugs verwendet werden.
Während existierende Dämpfer, Aufhängungsdämpfungssysteme und Verfahren zum Steuern von Aufhängungsdämpfungssystemen zu ihrem bestimmen Zweck geeignet sein können, besteht in der Technik ein Bedarf nach Verbesserungen, um existierende Nachteile zu überwinden.
Ausführungsformen der Erfindung umfassen einen steuerbaren magnetorheologischen (MR) Dämpfer mit einem ersten, zweiten und dritten Abschnitt. Der erste und zweite Abschnitt besitzen einen Translationsfreiheitsgrad dazwischen, und der dritte Abschnitt besitzt einen Rotationsfreiheitsgrad bezüglich des ersten und zweiten Abschnitts. Der erste und zweite Abschnitt sind über einen Wandler zur Umwandlung von Translation in Rotation gekoppelt, und der zweite und dritte Abschnitt sind über ein magnetorheologisches (MR) Fluid gekoppelt. Zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt ist ein Lager angeordnet, um eine Seitenlast dazwischen zu stützen, ein Magnetfeldgenerator steht in Feldverbindung mit dem magnetorheologischen Fluid, und ein Signalpfad steht in Signalverbindung mit dem Magnetfeldgenerator. Der dritte Abschnitt reagiert auf eine Translationsbewegung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt mit einer Rotation, die Scherspannungscharakteristik des magnetorheologischen Fluids reagiert auf den Magnetfeldgenerator, und der Magnetfeldgenerator reagiert steuerbar auf ein Anregungssignal von dem Signalpfad.
Andere Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein Aufhängungsdämpfungssystem für ein Fahrzeug mit einer Karosserie und einem Rad. Ein magnetorheologisches (MR-) Federbein ist mit einem Ende mit einer Aufhängungsfeder und der Karosserie des Fahrzeugs verbunden und mit einem entgegengesetzten Ende mit einem Träger des Fahrzeugrades verbunden. Ein elektronisches Steuersystem reagiert auf eine Fahrzeugbetriebscharakteristik und steht in Signalverbindung mit dem MR-Federbein. Das MR-Federbein reagiert auf ein Steuersignal von dem elekt ronischen Steuersystem zur Änderung der Dämpfungscharakteristik des MR-Federbeins.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugaufhängungsdämpfungssystems. Signale von mehreren Sensoren werden an einer Steuereinheit aufgenommen. Die Signale werden analysiert, und in Reaktion darauf wird ein Aktivierungssignal erzeugt. In Reaktion auf das Aktivierungssignal wird ein magnetorheologischer (MR) Dämpfer aktiviert, um so eine Erhöhung der Scherfestigkeit eines MR-Fluides an dem MR-Dämpfer, eine entgegengerichtete Drehmomentwirkung an einem Magnetrotor des MR-Dämpfers, eine entgegengerichtete Wirkungsweise zur Umwandlung von Translation zu Rotation an einem Wandler zur Umwandlung von Translation in Rotation des MR-Dämpfers und eine erhöhte Dämpfung der Translationsbewegung zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt des MR-Dämpfers ohne eine vollständige Rückhaltung des ersten Abschnitts bezüglich des zweiten Abschnitts zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein beispielhaftes Fahrzeug zur Umsetzung von Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
2 eine isometrische Ansicht eines Abschnitts von 1 zur Umsetzung von Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
3 ein Blockschaubild eines magnetorheologischen (MR) Dämpfers nach Ausführungsformen der Erfindung ist;
4 einen erweiterten unteren Abschnitt des MR-Dämpfers von 3 zeigt;
5 einen erweiterten oberen Abschnitt des MR-Dämpfers von 3 zeigt;
6 ein Aufhängungsdämpfungssystem nach Ausführungsformen der Erfindung zeigt; und
7 eine zu 4 alternative Ausführungsform zeigt.
Eine Ausführungsform der Erfindung verwendet steuerbare magnetorheologische (MR) Dämpfer in Federbeinen in dem Aufhängungs- bzw. Federungssystem eines Fahrzeugs, wodurch für das Fahrzeug kontinuierlich steuerbare Dämpfungscharakteristiken vorgesehen werden. Ausführungsformen der Erfindung können MR-Dämpfer nur in den vorderen Federbeinen, als Ersatz nur für die rückwärtigen Stoßdämpfer oder zu beiden Zwecken verwenden. Bei einer Ausführungsform wird ein elektronisches Steuermodul (Steuereinheit) mit Aufhängungssensoren für relative Verstellung (einer pro Radecke) verwendet und kann auch mit einem Fahrzeugquerbeschleunigungsmesser, einem Lenkwinkelsensor und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor verwendet werden, um ein Anregungssignal an den MR-Dämpfer vorzusehen und damit eine kontinuierliche Abwandlung der Dämpfungscharakteristiken des Fahrzeugaufhängungssystems zu ermöglichen. In Reaktion auf die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Lenkwinkel wie auch die Querbeschleunigung kann das Steuermodul einen Bereich von Aktivierungssignalen an die MR-Dämpfer senden, was einen Bereich von Fahrzeugaufhängungsdämpfungscharakteristiken zur Folge hat. Zusätzlich kann ein fahrerbetätigter Schalter in Verbindung mit der Steuereinheit dazu dienen, einen hohen oder niedrigen Verstärkungs faktor für das Anregungssignal abhängig davon vorzusehen, ob der Fahrer eine straffere Fahrt oder eine ruhigere Fahrt bevorzugt.
1 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Fahrzeugs 100 mit einer Karosserie 102, einem Satz von Rädern 103, einem vorderen Aufhängungssystem 105 mit einem vorderen Federbein 110 und einem hinteren Aufhängungssystem 115 mit einer hinteren Feder 120 und hinteren Stoßdämpfern 125. Das vordere Federbein 110 umfasst, wie am besten in 2 gezeigt ist, eine vordere Feder 130 und einen vorderen Stoßdämpfer 135. Gemäß der Ausführungsform der Erfindung können die Stoßdämpfer 125 und 135 einzeln oder beide Dämpfer mit magnetorheologischem Fluid (MR) sein, wie in 3 gezeigt ist. Während 3 den Stoßdämpfer 135 als einen MR-Dämpfer zeigt, sei angemerkt, dass dieselbe Figur auch den Stoßdämpfer 125 betrifft. Demgemäß bezeichnet das Bezugszeichen 135, wie hier angegeben ist, einen MR-Dämpfer, der als ein vorderer Stoßdämpfer 135 oder ein hinterer Stoßdämpfer 125 verwendet werden kann.
Ausführungsformen der Erfindung können einen aus mehreren verschiedenen Typen von MR-Dämpfern 135 abhängig von dem Einbauraum verwenden. Ein beispielhafter MR-Dämpfer 135 ist ein Dämpfer, der eine minimale Menge an MR-Fluid verwendet und die gewünschten Dämpfungseigenschaften in Reaktion auf ein variables Anregungssignal erreicht. Bei einer Ausführungsform ist die Menge an MR-Fluid, die verwendet wird, gleich oder kleiner als etwa 50 cm³ (Kubikzentimeter) und bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 10 cm³ im Vergleich zu mehr als 100 cm³, die in anderen Vorrichtungen mit MR-Dämpfertypen verwendet werden. Es liegt jedoch auch innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, MR-Dämpfer mit einer linearen Translation zu verwenden, die mehr als etwa 50 cm³ MR-Fluid verwenden.
In den 3–5 ist eine im Schnitt vorgesehene Blockdarstellung eines vollständigen MR-Dämpfers 135 (3), eines erweiterten unteren Abschnitts 140 des MR-Dämpfers 135 (4) und eines erweiterten oberen Abschnitts 145 des MR-Dämpfers 135 (5) gezeigt. Allgemein verwendet der MR-Dämpfer 135 ein magnetorheologisches Fluid 150, das in einem ringförmigen Raum 155 zwischen zwei konzentrischen Zylindern 160, 165 verteilt ist, die aus einem magnetischen Material bestehen, wo es einem steuerbaren Magnetfeld 170 ausgesetzt wird. Der Zylinder 160 wird auch als ein Stator 160 bezeichnet und der Zylinder 165 wird hier auch als ein Kern 165 bezeichnet. In dem ringförmigen Raum 155 ist ein zylindrischer Magnetrotor 175 angeordnet, der von dem MR-Fluid 150 umgeben ist. Bei einem Magnetfeld von Null kann das MR-Fluid 150 leicht geschert werden, so dass wenig Widerstand gegenüber einer Rotation des Rotors 175 erzeugt wird, während bei einem kontinuierlich variablen Magnetfeld 170 das MR-Fluid 150 eine Streckspannung aufweist, die als eine Funktion der Magnetfeldstärke zunimmt, was einen Widerstand gegenüber einer Rotation wie auch eine Erzeugung eines erheblichen variablen entgegenwirkenden Drehmoments auf den Rotor 175 innerhalb des MR-Fluides 150 des MR-Dämpfers 135 erzeugt. Bei einer Ausführungsform ist der ringförmige Raum 155 so bemessen, dass er gleich oder weniger als etwa 50 cm³ MR-Fluid 150 hält, und eine andere Ausführungsform ist so bemessen, dass sie gleich oder weniger als etwa 10 cm³ MR-Fluid 150 hält.
Der MR-Dämpfer 135 umfasst einen ersten 180, zweiten 185 und dritten 190 Abschnitt. Der erste und zweite Abschnitt 180, 185 sind mit einem Translationsfreiheitsgrad parallel zu der Achse 195 und bezüglich zueinander angeordnet, und der dritte Abschnitt 190 ist mit einem Rotationsfreiheitsgrad um die Achse 201 und bezüglich zu dem ersten und zweiten Abschnitt 180, 185 angeordnet. Der erste und dritte Abschnitt 180, 190 sind über einen Wandler 200 zur Umwandlung von Translation in Rotati on gekoppelt, und der zweite und dritte Abschnitt 185, 190 sind über das MR-Fluid 150 in dem ringförmigen Raum 155 gekoppelt. Ein Magnetfeldgenerator 205 an dem unteren Abschnitt 140 steht in Feldverbindung mit dem MR-Fluid 150 in dem ringförmigen Raum 155 und umfasst einen Kern 210 und eine Wicklung 215. Ein Signalpfad, der durch Leitungen 220 und einen Verbinder 225 vorgesehen ist, ermöglicht, dass Anregungssignale an der Wicklung 215 zur Erzeugung eines Magnetfelds 170 empfangen werden können. Der dritte Abschnitt 190 reagiert auf eine Translationsbewegung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 180, 185 mit einer Rotation, und die Scherspannungscharakteristik des MR-Fluides 150 innerhalb des ringförmigen Raums 155 reagiert auf den Magnetfeldgenerator 205, so dass eine Rotationsdämpfwirkung des dritten Abschnitts 190 aus einer Feldanregung an dem Magnetfeldgenerator 205 resultiert.
Bei einer Ausführungsform umfasst der erste Abschnitt 180 ein zylindrisches Rohr 230 mit einer Kugelmutter 235, ein dritter Abschnitt 190 umfasst eine Welle 240 mit einer Kugelumlaufspindel 245 an einem Ende und dem Magnetrotor 175 an einem entgegengesetzten Ende, und ein zweiter Abschnitt 185 umfasst ein zylindrisches Metallgehäuse 250 (wie beispielsweise aus magnetischem Stahl, nichtmagnetischem Stahl, Aluminium oder Magnesium), das den ersten Abschnitt 180, den dritten Abschnitt 190 und den Magnetfeldgenerator 205 aufnimmt. Die Kugelumlaufspindel 245 ist über Eingriff an der Kugelmutter 235 angeordnet, um eine Rotationsbewegung dazwischen vorzusehen, und ein Magnetrotor 175 ist in dem MR-Fluid 150 in einem Ringraum 155 angeordnet, das eine Fluidverbindung dazwischen vorsieht.
Zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 180 und 185, die bei einer Ausführungsform jeweils einen zylindrischen Querschnitt besitzen, sind Ringlager 255, 260 zum Stützen einer Seitenlast zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 180, 185 angeordnet. Die Ringlager 255, 260 sind axial bezüglich zueinander angeordnet, um ein Zwischenraumgebiet 265 zu definieren, das ein Schmiermittel 270 enthalten kann, um eine Gleitreibung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 180, 185 zu verringern. Bei einer Ausführungsform besitzt die zylindrische Wand des zweiten Abschnitts 185 eine Innenfläche, die Umfangsausnehmungen oder -kanäle 275 und 280 umfasst, um die Ringlager 255, 260 gesichert aufzunehmen und zu fixieren. Die Ringlager 255, 260 können Kugellager in einem Laufring, Schmierlagermaterial wie beispielsweise Bronze oder eine andere Lagervorrichtung oder ein anderes Lagermaterial sein, das für die hier offenbarten Zwecke geeignet ist. Die Lager 255, 260 können auch durch Bördeln bzw. Umbiegen der Abschnitte des Rohres 250 unmittelbar benachbart beider Seiten jedes Lagers an der Stelle gesichert werden, wie allgemein in den 3 und 5 durch die Bördelung 252 gezeigt ist. Während in den 3 und 5 nur eine Bördelung 252 gezeigt ist, sei angemerkt, dass die Bördelung 252 an beiden Seiten jedes Lagers 255, 260 an dem Rohr 250 ausgebildet sein kann, wodurch die Lager 255, 260 an der Stelle gesichert werden.
Bei einer Ausführungsform bilden der erste, zweite und dritte Abschnitt 180, 185, 190 eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Linearbewegung in eine Rotationsbewegung, die aus einer Kugelumlaufspindel 245 und einer Kugelmutter 235 besteht, wobei die Kugelmutter 235 an dem unteren Ende des zylindrischen Rohres 230 angebracht ist, und die Kugelumlaufspindel 245 an dem zylindrischen Magnetrotor 175 durch eine nichtmagnetische Stützscheibe 285 angebracht ist. Das obere Ende des zweiten Abschnitts 185 ist an einer Federkappe 290 befestigt, um das untere Ende der vorderen Aufhängungsfeder 130 zu halten, wie am besten in 2 gezeigt ist, das untere Ende des zweiten Abschnitts 185 ist an dem Rad träger 295 über eine Halterung 300 befestigt, wie am besten in den 1, 3, 4 und 6 gezeigt ist, und das obere Ende des ersten Abschnitts 180 ist mit der Fahrzeugkarosserie 102 über Stützplatten 297 verbunden, wie am besten in den 1 und 6 gezeigt ist. Die Kugelumlaufspindel 245 ist so angebracht, dass sie in einem Metallgehäuse 250 und einer nichtmagnetischen Gehäuseendabdeckung 305 mittels einer abgedichteten Laufbuchse 310 und einem abgedichteten Kugeldrucklager 315 an einem Ende und mittels eines Kugelumlaufspindelendträgers 317 an dem anderen Ende rotiert. Der Kugelumlaufspindelendträger 317 dient dazu, die axiale Beziehung der Kugelumlaufspindel 245 bezüglich des Rohrs 230 des ersten Abschnitts 180 aufrechtzuerhalten. Wenn die Kugelmutter 235 in dem Rohr 230 aufgrund von Fahrzeugkarosseriebewegungen aufwärts und abwärts wandert, dreht sich die Kugelumlaufspindel 245 in einer Richtung oder in der anderen zusammen mit dem Magnetrotor 175 und der befestigten Stützscheibe 285. Ein Stoßfänger 350, der aus einem elastomeren Material hergestellt ist, ist zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 180, 185 angeordnet, um darauf wirkende Stoßkräfte aufzunehmen. Ein Magnetrotor 175 ist zwischen dem weichmagnetischen zylindrischen Stator 160 und dem weichmagnetischen zylindrischen Kern 165 angeordnet, die in dem zylindrischen Gehäuse 250 gesichert gehalten sind. Der Kern 165 und die eingekapselte Magnetwicklung 215 bilden zusammen den Magnetfeldgenerator 205. Der ringförmige Raum 155, der zwischen der zylindrischen Fläche des Stators 160 und der zylindrischen Fläche des Kerns 165 gebildet wird, ist mit dem MR-Fluid 150 gefüllt, das durch dynamische O-Ring-Dichtungen 320, 321 an einem Austreten aus dem MR-Dämpfer 135 gehindert wird, die dynamisch an die Drehbewegung des dritten Abschnitts 190 gekoppelt sind. Bei der Ausführungsform von 4 sind zwei dynamische O-Ring-Dichtungen 320, 321 verwendet, während bei einer alternativen Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, lediglich eine einzelne dynamische O-Ring-Dichtung 322 verwendet ist, die hilft, eine Reibung wie auch einen Komponentenverschleiß weiter zu reduzieren. Bei der alternativen Ausführungsform von 7 können statische O-Ringe 323 verwendet werden, die eine zusätzliche Abdichtung für MR-Fluid 150 vorsehen.
Bei einer Ausführungsform, wie in 4 gezeigt ist, besitzt der zylindrische Rotor 175 drei zylindrische Teile 325, 330 und 335, wobei der erste und zweite Teil 325 und 330 aus Magnetmaterial hergestellt ist, wie vorher beschrieben wurde, und der dritte Teil 335 aus einem im Wesentlichen nichtmagnetischen Material hergestellt ist. Der dritte Teil 335 ist radial bezüglich der Wicklung 215 angeordnet, wodurch der gewünschte Flusspfad für das Magnetfeld 170 durch das vorher erwähnte Magnetmaterial vorgesehen wird. Das dritte Teil 335 kann im Wesentlichen aus einem nichtmagnetischen Material bestehen, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Aluminium, Messing, oder kann eine Rippe 340 aus Magnetmaterial mit einer solchen Dicke besitzen, dass sie verhindert, dass eine größere Menge an magnetischem Fluss von dem Abschnitt des ringförmigen Raums 155 am nächsten zu dem Stator 160 weggelenkt wird.
In Reaktion auf einen elektrischen Strom, der durch die Wicklung 215 von einer externen Quelle, wie beispielsweise der Fahrzeugbatterie 345 (in den 1 und 6 gezeigt) über den Verbinder 225 und die Leitungen 220 geleitet wird, wird ein Magnetfeld 170 in der radialen Richtung bezüglich der Achse 195 über den ringförmigen Raum 155 zwischen dem Kern 165, dem Rotor 175 und dem Stator 160 erzeugt. Die Stärke des Magnetfeldes oder die Flussdichte innerhalb des MR-Fluides 150 bestimmt die Scherspannungscharakteristiken des MR-Fluides 150, wodurch der Grad des Drehmoments gesteuert wird, der dazu dient, der Rotation des Magnetrotors 175 entgegenzuwirken. Die resultierenden Magnetflusslinien 170, die den ringförmigen Raum 155 durchqueren, sind in den 3 und 4 gezeigt.
Das Widerstandsdrehmoment, das auf den Magnetrotor 175 wirkt, wird in eine Kraft umgesetzt, die der Linearbewegung der Kugelmutter 235 und dem befestigten zylindrischen Rohr 230 einen Widerstand entgegensetzt. Durch die geeignete Auswahl aus: der Steigung der Kugelumlaufspindel 245; den axialen und radialen Abmessungen des Stators 160, des Kerns 165 und des Rotors 175; der Anzahl von Windungen der Wicklung 215; dem Bereich von Strömen durch die Wicklung 215; und einem MR-Fluid 150 mit einer geeigneten Konzentration von Eisenpartikeln, können Kräfte, die ausreichend sind, um die Translationsbewegung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 180, 185 und somit die Axialbewegung des Federbeins 110 zu dämpfen, durch eine gesteuerte Aktivierung des MR-Dämpfers 135 erzeugt werden. Ähnlicherweise können die oben beschriebenen Parameter derart gewählt sein, dass eine minimale Krafterzeugung erreicht wird, wenn der Strom durch die Wicklung 215 auf Null gesetzt ist, was in einem entkoppelten Betrieb des Federbeins 110 resultiert.
Die Verwendung des MR-Dämpfers 135 in einem Aufhängungsdämpfungssystem 400 wird nun unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Bei einer Ausführungsform umfasst das Aufhängungsdämpfungssystem 400 eine Vielzahl von Sensoren 405, 410, 415, 435, eine Steuereinheit 420 und zumindest einen MR-Dämpfer 135. Die Sensoren 405, 410, 415, 435 und die Steuereinheit 420 können hier auch als ein elektronisches Steuersystem 425 bezeichnet sein. Bei einer Ausführungsform umfasst die Vielzahl von Sensoren einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 405, einen Lenkwinkelsensor 410, vier Aufhängungssensoren 435 für relative Verschiebung (beispielsweise einen pro Radecke) und/oder einen Querbeschleunigungsmesser 415, die auf die jeweilige Betriebscharakteristik des Fahrzeugs 100 reagieren. Die Steuereinheit 420 reagiert auf Signale von der Vielzahl von Sensoren 405, 410, 415, 435 zur Erzeugung eines Akti vierungssignals, das eine Erhöhung der Scherfestigkeit des MR-Fluids 150, eine entgegengerichtete Drehmomentwirkung an dem Rotor 175 und eine entgegengerichtete Wirkungsweise zur Umwandlung von Translation zu Rotation an dem Wandler 200 erzeugt, wodurch die Dämpfungseigenschaften des Federbeins 110 bei Bedarf geändert werden. Während 6 zwei vordere Stoßdämpfer 135 aber nur einen hinteren Stoßdämpfer 125 zeigt, sei angemerkt, dass dies lediglich zu Veranschaulichungszwecken ist, und dass das Fahrzeug 100 einen zweiten hinteren Stoßdämpfer umfassen kann, der nicht gezeigt ist, der aber auch gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung funktioniert.
Abhängig von den Fahrbedingungen des Fahrzeugs 100, wie beispielsweise schneller Kurvenfahrt, stabiler Fahrt oder einem Übergang von einem zu dem anderen versorgen die Sensoren 405, 410, 415, 435 eine Steuereinheit 420 mit Eingangssignalen, um zu ermöglichen, dass die Steuereinheit 420 einen kontinuierlichen Strom von Steuersignalen an den MR-Dämpfer 135 liefern kann, wodurch ermöglicht wird, dass der MR-Dämpfer 135 kontinuierlich auf dynamische Fahrbedingungen reagiert. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Fahrzeug 100 mit einem fahrerbetätigten Schalter 430 ausgestattet, der in Verbindung mit der Steuereinheit 420 arbeitet, um einen Faktor mit hoher oder niedriger Verstärkung für das Anregungssignal vorzusehen, das an die Wicklung 215 geliefert wird, abhängig davon, ob der Fahrer eine straffe Fahrt oder eine ruhigere Fahrt bevorzugt. Unabhängig davon, ob der Schalter 430 in einer Stellung für straffe Fahrt oder in einer Stellung für weiche Fahrt ist, kann die Steuereinheit 420 einen kontinuierlichen Strom von Signalen an den MR-Dämpfer 135 liefern, um die Dämpfungscharakteristiken des Federbeins 110 kontinuierlich einzustellen.
Angesichts des Vorhergehenden können Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugaufhängungsdämpfungssystems 400 ausführen, indem, wenn an der Steuereinheit 420 Signale von den Sensoren 405, 410, 415, 435 empfangen werden, die Signale analysiert werden und ein Aktivierungssignal in Reaktion darauf erzeugt wird, und der MR-Dämpfer 135 in Reaktion auf das Aktivierungssignal aktiviert wird, um so eine Erhöhung der Scherfestigkeit des MR-Fluids 175, eine entgegengerichtete Drehmomentwirkung an dem Magnetrotor 175, eine entgegengerichtete Wirkungsweise zur Umwandlung von Translation zu Rotation an dem Wandler 200 wie auch eine erhöhte Dämpfung der Translationsbewegung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 180, 185 des Federbeins 110 ohne die vollständige Rückhaltung des ersten Abschnitts 180 bezüglich des zweiten Abschnitts 185 zu bewirken.
Wie offenbart wurde, können einige Ausführungsformen der Erfindung einige der folgenden Vorteile umfassen: ein kostengünstiges Kraftfahrzeugaufhängungsdämpfungssystem mit einer Seitenlastfestigkeit ohne das Erfordernis einer Hydraulikpumpe oder von Hydraulikenergie; geringere Systemkosten aufgrund einer geringeren MR-Fluidverwendung; geringere Systemkosten aufgrund der Beseitigung von Gasfedern, Hochdruckdichtungen wie auch speziellen Stangen- und Rohroberflächenbearbeitungen, die erforderlich sind, um in einer teleskopartig wirkenden Stoßdämpfervorrichtung vom MR-Dämpfertyp einen Verschleiß zu minimieren; geringere Kosten bei der Beseitigung der Notwendigkeit nach einem Gasreservoir, um eine Fluidverdrängung durch das Stangenvolumen aufzunehmen; verbesserter Fahrkomfort und Fahrqualität, verringertes Schütteln des Kopfs bei einem Fahrzeugmanöver; Verwendung eines MR-Dämpfers, der eine schnelle Reaktionszeit in der Größenordnung von 10 Millisekunden besitzt; verringerte Einbaugröße aufgrund der Beseitigung der Sammel- und Hydraulikleitungen; die Möglichkeit, bei der Steuerung der Fahrzeug stabilität bei Fahrzeugübersteuerungszuständen verwendet werden zu können; verbesserte Fahrzeugfahrqualität bei Geradeausfahrt; und minimaler parasitärer Energieverbrauch aufgrund der Abwesenheit einer hohen elektrischen oder hydraulischen Leistungsanforderung bei normalen Fahrbedingungen.
Zusammengefasst ist ein steuerbarer magnetorheologischer (MR) Dämpfer (135) mit einem ersten, zweiten und dritten Abschnitt (180, 185, 190) offenbart. Der erste und zweite Abschnitt (180, 185) besitzen einen Translationsfreiheitsgrad dazwischen, und der dritte Abschnitt (190) besitzt einen Rotationsfreiheitsgrad bezüglich des ersten und zweiten Abschnitts (180, 185). Der erste und dritte Abschnitt (180, 190) sind über einen Wandler (200) zur Umwandlung von Translation in Rotation gekoppelt, und der zweite und dritte Abschnitt (185, 190) sind über ein magnetorheologisches (MR) Fluid (150) gekoppelt. Ein Lager (315) ist zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (180, 185) angeordnet, um eine Seitenlast dazwischen zu stützen, ein Magnetfeldgenerator (205) steht in Feldverbindung mit dem magnetorheologischen Fluid (150), und ein Signalpfad (220) steht in Signalverbindung mit dem Magnetfeldgenerator (205). Der dritte Abschnitt (190) reagiert auf eine Translationsbewegung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (180, 185) mit Rotation, die Scherspannungscharakteristik des magnetorheologischen Fluides (150) reagiert auf den Magnetfeldgenerator (205), und der Magnetfeldgenerator (205) reagiert steuerbar auf ein Anregungssignal von dem Signalpfad (220).

Claims

Steuerbarer magnetorheologischer (MR) Dämpfer (135), mit: einem ersten, zweiten und dritten Abschnitt (180, 185, 190); wobei der erste und zweite Abschnitt (180, 185) einen Translationsfreiheitsgrad dazwischen besitzen; einem Lager (255), das zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (180, 185) angeordnet ist, um eine Seitenlast dazwischen zu stützen; wobei der dritte Abschnitt (190) einen Rotationsfreiheitsgrad bezüglich des ersten und zweiten Abschnitts (180, 185) besitzt; wobei der erste und dritte Abschnitt (180, 190) über einen Wandler (200) zur Umwandlung von Translation in Rotation gekoppelt sind; wobei der zweite und dritte Abschnitt (185, 190) über ein magnetorheologisches (MR) Fluid (150) gekoppelt sind; einem Magnetfeldgenerator (205) in Feldverbindung mit dem magnetorheologischen Fluid (150); und einem Signalpfad (220) in Signalverbindung mit dem Magnetfeldgenerator (205); wobei der dritte Abschnitt (190) auf eine Translationsbewegung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (180, 185) mit Rotation reagiert, die Scherspannungscharakteristik des magnetorheologischen Fluides (150) auf den Magnetfeldgenerator (205) reagiert, und der Magnetfeldgenerator (205) auf ein Anregungssignal von dem Signalpfad (220) steuerbar reagiert.
Dämpfer (135) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetorheologische Fluid (150) auf ein kontinuierlich steuerbares Anregungssignal reagiert, um eine kontinuierlich steuerbare Rotationsdämpfung des dritten Abschnitts (190) und eine Translationsdämpfung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (180, 185) vorzusehen.
Dämpfer (135) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Abschnitt (180, 185) jeweils einen zylindrischen Querschnitt besitzen, und der erste, zweite und dritte Abschnitt (180, 185, 190) eine gemeinsame Achse (195) besitzen.
Dämpfer (135) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass: der erste Abschnitt (180) ein Rohr mit einer Kugelmutter (235) umfasst; der dritte Abschnitt (190) eine Welle (240) mit einer Kugelumlaufspindel (245) an einem Ende und einem Magnetrotorring (175) an einem entgegengesetzten Ende umfasst, wobei die Kugelumlaufspindel (245) an der Kugelmutter (235) in Eingriff angeordnet ist und der Magnetrotorring (175) in dem magnetorheologischen Fluid (150) angeordnet ist; und der zweite Abschnitt (185) ein Gehäuse umfasst, das den ersten Abschnitt (180), den dritten Abschnitt (190) und den Magnetfeldgenerator (205) aufnimmt.
Dämpfer (135) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldgenerator (205) einen Magnetkern (210) und eine Anregungswicklung (215) umfasst, wobei der Magnetkern (210) eine erste zylindrische Fläche definiert; der zweite Abschnitt (185) einen Magnetstator (160) umfasst, der eine zweite zylindrische Fläche definiert, die konzentrisch zu der ersten zylindrischen Fläche ist, wobei die erste und zweite zylindrische Fläche einen ringförmigen Raum (155) dazwischen definieren, wobei in dem ringförmigen Raum (155) das magnetorheologische Fluid (150) angeordnet ist; und wobei der dritte Abschnitt (190) einen zylindrischen Magnetrotorring (175) umfasst, der in dem Fluid innerhalb des ringförmigen Raums (155) angeordnet ist.
Dämpfer (135) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorring (175) einen im Wesentlichen nichtmagnetischen Teil (335) umfasst, der bezüglich der Wicklung (215) radial angeordnet ist.
Dämpfer (135) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorring (175) einen ersten zylindrischen Teil (325), einen zweiten zylindrischen Teil (330) und eine Rippe (340) dazwischen umfasst, wobei die Rippe (340) bezüglich der Wicklung (215) radial angeordnet ist und den im Wesentlichen nichtmagnetischen Teil (335) definiert, so dass ein Magnetfeld (170) in Reaktion auf den Magnetfeldgenerator (205) einen Pfad durchquert, der den Kern (210), den ersten und zweiten zylindrischen Teil (325, 330), den Stator (160) und das magnetorheologische Fluid (150) umfasst.
Dämpfer (135) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Abschnitt (180, 185) jeweils einen zylindrischen Querschnitt und eine gemeinsame Achse (195) besitzen; der erste Abschnitt (180) in dem zweiten Abschnitt (185) angeordnet ist; das Lager ein erstes Lager (255) und ein zweites Lager (260) umfasst, die axial voneinander versetzt sind, um ein Zwischenraumgebiet (265) zu definieren; und ferner mit einem Schmiermittel (270), das in dem Zwischenraumgebiet (265) angeordnet ist.
Dämpfer (135) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (185) eine zylindrische Wand umfasst, die eine Innenfläche mit einer ersten und zweiten Umfangsausnehmung (275, 280) aufweist; und das erste und zweite Lager (255, 260) in der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (275, 280) gesichert sind.
Dämpfer (135) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (185) ferner zumindest eine Bördelung (252) umfasst; und das erste und/oder zweite Lager (255, 260) durch die zumindest eine Bördelung (252) gesichert sind.
Dämpfer (135) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Raum (155) so bemessen ist, dass er gleich oder weniger als etwa 50 Kubikzentimeter des magnetorheologischen Fluides (150) enthält.
Dämpfer (135) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Raum (155) so bemessen ist, dass er gleich oder weniger als etwa 10 Kubikzentimeter des magnetorheologischen Fluides (150) enthält.
Dämpfer (135) nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine einzelne dynamische O-Ring-Dichtung (320), die in Fluidverbindung mit dem MR-Fluid (150) und in Rotationsverbindung mit dem dritten Abschnitt (190) angeordnet ist.
Aufhängungsdämpfungssystem (400) für ein Fahrzeug mit einer Karosserie (102) und einem Rad (103) mit: einem magnetorheologischen (MR) Federbein (110), das mit einer Aufhängungsfeder (130) und der Karosserie (102) des Fahrzeugs an einem Ende und mit einem Träger (295) des Fahrzeugrads (103) an einem entgegengesetzten Ende verbunden ist; und einem elektronischen Steuersystem (425), das auf eine Fahrzeugbetriebscharakteristik reagiert und in Signalverbindung mit dem MR-Federbein (110) steht; wobei das MR-Federbein (110) auf ein Steuersignal von dem elektronischen Steuersystem (425) zur Änderung der Dämpfungscharakteristik des MR-Federbeins (110) reagiert.
System (400) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das MR-Federbein (110) kontinuierlich auf das elektronische Steuersystem (425) zur Änderung der Dämpfungscharakteristik des MR-Federbeins (110) bei Bedarf reagiert.
System (400) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Steuersystem (425) umfasst: eine Vielzahl von Sensoren (405, 410, 415, 435), die auf zumindest eine Betriebscharakteristik des Fahrzeugs reagieren; und eine Steuereinheit (420), die auf Signale von der Vielzahl von Sensoren (405, 410, 415) reagiert.
System (400) nach Anspruch 16, ferner gekennzeichnet durch: einen Schalter (430) in Signalverbindung mit der Steuereinheit (420), wobei der Schalter (430) eine erste Stellung und eine zweite Stellung besitzt, um einen hohen oder niedrigen Verstärkungsfaktor für ein Anregungssignal, das an dem MR-Federbein (110) empfangen wird, abhängig davon, ob ein Fahrer eine straffere Fahrt oder eine ruhigere Fahrt bevorzugt, vorzusehen.
System (400) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das MR-Federbein (110) umfasst: einen ersten, zweiten und dritten Abschnitt (180, 185, 190), wobei der erste Abschnitt (180) an dem einen Ende angeordnet ist und der zweite Abschnitt (185) an dem entgegengesetzten Ende angeordnet ist; wobei der erste und zweite Abschnitt (180, 185) einen Translationsfreiheitsgrad dazwischen besitzen; ein Lager (255), das zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (180, 185) angeordnet ist, um eine Seitenlast dazwischen zu stützen; der dritte Abschnitt (190) einen Rotationsfreiheitsgrad bezüglich des ersten und zweiten Abschnitts (180, 185) besitzt; der erste und dritte Abschnitt (180, 190) über einen Wandler (200) zur Umwandlung von Translation in Rotation gekoppelt sind; der zweite und dritte Abschnitt (185, 190) über ein magnetorheologisches Fluid (150) gekoppelt sind; einen Magnetfeldgenerator (205) in Feldverbindung mit dem magnetorheologischen Fluid (150); und einen Signalpfad (220) in Signalverbindung mit dem Magnetfeldgenerator (205); wobei der dritte Abschnitt (190) auf eine Translationsbewegung zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt (180, 185) mit Rotation reagiert, die Scherspannungscharakteristik des magnetorheologischen Fluids (150) auf den Magnetfeldgenerator (205) reagiert, und der Magnetfeldgenerator (205) auf ein Anregungssignal von dem Signalpfad (220) steuerbar reagiert.
System (400) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (180) ein Rohr mit einer Kugelmutter (235) umfasst; der dritte Abschnitt (190) eine Welle (240) mit einer Kugelumlaufspindel (245) an einem Ende und einem Magnetrotorring (175) an einem entgegengesetzten Ende umfasst, wobei die Kugelumlaufspindel (245) an der Kugelmutter (235) in Eingriff angeordnet ist, wobei der Magnetrotorring (175) in dem magnetorheologischen Fluid (150) angeordnet ist; und der zweite Abschnitt (185) ein Gehäuse (250) umfasst, das den ersten Abschnitt (180), den dritten Abschnitt (190) und den Magnetfeldgenerator (205) aufnimmt.
System (400) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass: der Magnetfeldgenerator (205) einen Magnetkern (210) und eine Anregungswicklung (215) umfasst, wobei der Magnetkern (210) eine erste zylindrische Fläche definiert; der zweite Abschnitt (185) einen magnetischen Stator (160) umfasst, der eine zweite zylindrische Fläche definiert, die konzentrisch zu der ersten zylindrischen Fläche ist, wobei die erste und zweite zylindrische Fläche einen ringförmigen Raum (155) dazwischen definieren, wobei das magnetorheologische Fluid (150) in dem ringförmigen Raum (155) angeordnet ist; und der dritte Abschnitt (190) einen zylindrischen Magnetrotorring (175) umfasst, der in dem Fluid (150) in dem ringförmigen Raum (155) angeordnet ist, wobei der Rotorring (175) einen im Wesentlichen nichtmagnetischen Teil (335) umfasst, der bezüglich der Wicklung (215) radial angeordnet ist.
System nach (400) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass: der Rotorring (175) einen ersten zylindrischen Teil (325), einen zweiten zylindrischen Teil (330) und eine Rippe (340) dazwischen umfasst, wobei die Rippe (340) radial bezüglich der Wicklung (215) angeordnet ist und den im Wesentlichen nicht magnetischen Teil (335) definiert, so dass ein Magnetfeld in Reaktion auf den Magnetfeldgenerator (205) einen Pfad durchquert, der den Kern (210), den ersten und zweiten zylindrischen Teil (325, 330), den Stator (160) und das magnetorheologische Fluid (150) umfasst.
System (400) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Abschnitt (180, 185) jeweils einen zylindrischen Querschnitt (325) und eine gemeinsame Achse (195) besitzen; der erste Abschnitt (180) in dem zweiten Abschnitt (185) angeordnet ist; das Lager (255) ein erstes Lager (255) und ein zweites Lager (260) umfasst, die axial bezüglich zueinander versetzt sind, um ein Zwischenraumgebiet (265) zu definieren; und ferner mit: einem Schmiermittel (270), das in dem Zwischenraumgebiet (265) angeordnet ist.
System (400) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (185) eine zylindrische Wand mit einer Innenfläche umfasst, das eine erste und zweite Umfangsausnehmung (275, 280) aufweist; und das erste und zweite Lager (255, 260) in der ersten bzw. zweiten Ausnehmung (275, 280) gesichert sind.
Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugaufhängungsdämpfungssystems (400), dadurch gekennzeichnet, dass: an einer Steuereinheit (420) Signale von einer Vielzahl von Sensoren (405, 410, 415, 435) empfangen werden; die Signale analysiert werden und ein Aktivierungssignal in Reaktion darauf erzeugt wird; und in Reaktion auf das Aktivierungssignal ein magnetorheologischer (MR) Dämpfer (135) aktiviert wird, um so eine Erhöhung der Scherfestigkeit eines MR-Fluids (150) an dem MR-Dämpfer (135), eine entgegengerichtete Drehmomentwirkung an einem Magnetrotor (175) des MR-Dämpfers (135), eine entgegengerichtete Wirkungsweise zur Umwandlung von Translation zu Rotation an einem Wandler (200) zur Umwandlung von Translation in Rotation des MR-Dämpfers (135) und eine erhöhte Dämpfung einer Translationsbewegung zwischen einem ersten und zweiten Abschnitt (180, 185) des MR-Dämpfers (135) ohne vollständige Rückhaltung des ersten Abschnitts (180) bezüglich des zweiten Abschnitts (185) zu bewirken.