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Die
Erfindung betrifft ein aktives Fahrwerksystem für Kraftfahrzeuge, mit einer
Hydraulikpumpe, einem Reservoir, wenigstens zwei Aktuatoren sowie
einer Ventilbaugruppe zur aktiven Wankstabilisierung, die mit der
Hydraulikpumpe, dem Reservoir und den Aktuatoren in Verbindung steht.
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Derartige
Fahrwerksysteme sind bereits seit geraumer Zeit aus dem Stand der
Technik bekannt. Ursprünglich
wurden sie im wesentlichen eingesetzt, um unerwünschten Wankbewegungen eines
Kraftfahrzeugs aktiv entgegenzuwirken. Mittlerweile existieren allerdings
auch aktive Fahrwerksysteme, die zu komplexeren Kombinationssystemen
weiterentwickelt sind und neben einer aktiven Wankstabilisierung
auch eine Niveauregulierung eines Fahrzeugaufbaus ermöglichen.
Unter Niveauregulierung ist dabei die aktive Veränderung des Abstands zwischen
dem Fahrzeugaufbau und einer Fahrzeugachse zu verstehen. Bei einem
zweiachsigen Personenkraftwagen ist in der Regel sowohl eine Niveauregulierung
an der Vorderachse (sogenannte Vorderwagenanhebung bzw. -absenkung)
als auch eine Niveauregulierung an der Hinterachse (sogenannte Hinterwagenanhebung
bzw. -absenkung) möglich, wobei
die Niveauregulierungen an den Fahrzeugachsen unabhängig voneinander
vorgenommen werden können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Niveauregulierungsfunktion mit geringem
Aufwand in ein vorhandenes aktives Fahrwerksystem, das keine Niveauregulierungsfunktion
aufweist, zu integrieren, ohne dass das vorhandene Fahrwerksystem
ausgetauscht werden muss.
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Erfindungsgemäß ist zur
Lösung
der Aufgabe ein aktives Fahrwerksystem der eingangs genannten Art
vorgesehen, welches einen Ventilblock zur Niveau regulierung umfasst,
wobei der Ventilblock zwischen die Ventilbaugruppe und die Aktuatoren
geschaltet ist. Folglich muss der Hydraulikkreislauf eines bestehenden
aktiven Fahrwerksystems ohne Niveauregulierung lediglich zwischen
der Ventilbaugruppe zur aktiven Wankstabilisierung und den Aktuatoren
unterbrochen und ein vorgefertigter Ventilblock eingesetzt werden,
um das bestehende System um eine Niveauregulierungsfunktion zu erweitern.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigt:
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1 ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Fahrwerksystems
in einer ersten Ausführungsform;
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2 ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Fahrwerksystems
in einer zweiten Ausführungsform;
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3 ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Fahrwerksystems
in einer dritten Ausführungsform;
und
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4 die
schematische Detailansicht eines Ventilblocks für das Fahrwerksystem gemäß 3.
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Die 1 zeigt
ein aktives Fahrwerksystem 10 für Kraftfahrzeuge, mit einer
Hydraulikpumpe 12, einem Reservoir 14, zwei Aktuatoren 16, 18 sowie
einer Ventilbaugruppe 20 zur aktiven Wankstabilisierung,
wobei die Ventilbaugruppe 20 mit der Hydraulikpumpe 12,
dem Reservoir 14 und den Aktuatoren 16, 18 in
Verbindung steht. Im vorliegenden Beispiel ist ein erster Aktuator 16 als
Zylinder-Kolben-Einheit mit
zwei Druckkammern 24, 26 und ein zweiter Aktuator 18 als
Zylinder-Kolben-Einheit mit zwei Druckkammern 28, 30 ausgeführt. Die
beiden Aktuatoren 16, 18 sind dabei einer Fahrzeugachse,
vorzugsweise jeweils einem Radträger
dieser Fahrzeugachse zugeordnet.
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Gemäß 1 umfasst
das aktive Fahrwerksystem 10 ferner einen Ventilblock 22 zur
Niveauregulierung, wobei der Ventilblock 22 zwischen die Ventilbaugruppe 20 und
die Aktuatoren 16, 18 geschaltet ist. Stellvertretend
für eine
beliebige herkömmliche
Ventilbaugruppe zur aktiven Wankstabilisierung, die keine Niveauregulierungsfunktion
umfasst, ist in 1 lediglich eine „Black
Box" dargestellt,
die das Bezugszeichen 20 trägt und einen Pumpenanschluss 32,
einen Rücklaufanschluss 34 sowie
einen ersten Druckanschluss 36 und einen zweiten Druckanschluss 38 aufweist.
Diese Vereinfachung wurde vorgenommen, weil die detaillierte Schaltung
und Ausführung
der Wankstabilisierung für die
vorliegende Erfindung unerheblich ist.
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Der
Ventilblock 22 weist zwei in Reihe geschaltete 4/2-Wegeventile 40, 42,
zwei Druckanschlüsse 44, 46 zur
Verbindung mit den Druckkammern 24, 26 des ersten
Aktuators 16, zwei Druckanschlüsse 48, 50 zur
Verbindung mit den Druckkammern 28, 30 des zweiten
Aktuators 18 und zwei Druckanschlüsse 52, 54 zur
Verbindung mit der Ventilbaugruppe 20 auf. Die Druckkammern 28, 30 des zweiten
Aktuators 18 sind dabei zwischen den Wegeventilen 40, 42 im
Inneren des Ventilblocks 22 an einen Hydraulikkreislauf
des Fahrwerksystems 10 angeschlossen.
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Im
folgenden wird auf die Funktion des Fahrwerksystems 10 eingegangen:
Aufgrund
einer Federbeaufschlagung befinden sich die Wegeventile 40, 42 in
der in 1 gezeigten, linken Ventilposition jeweils in
ihrer Grundstellung.
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Bei
einer sog. Normalfahrt, z. B. einer Kurven- oder Geradeausfahrt
(ohne Niveausteuerung) wird das Wegeventil 42 nach rechts,
in seine rechte Ventilposition geschaltet, so dass der erste Druckanschluss 36 der
Ventilbaugruppe 20 mit den Druckkammern 24, 30 und
der zweite Druckanschluss 38 der Ventilbaugruppe 20 mit
den Druckkammern 26, 28 verbunden ist. Diese Schaltstellung
entspricht der Schaltung eines herkömmlichen Fahrwerksystems ohne
Niveauregulierung. Der Ventilblock 22 übernimmt in dieser Schaltstellung
lediglich eine Durchleitungsfunktion. Bei einer Druckbeaufschlagung über die
Ventilbaugruppe 20 bewegen sich die Aktuatoren 16, 18 gegenläufig, so
dass eine Tordierung eines Stabilisators (nicht dargestellt) und
damit eine aktive Wankstabilisierung des Fahrzeugs möglich ist.
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Zur
Anhebung oder Absenkung des Vorder- oder Hinterwagens werden beide
Wegeventile 40, 42 nach rechts in ihre rechte
Ventilposition geschaltet, so dass die Druckkammer 24 mit
der Druckkammer 28 verbunden und am zweiten Druckanschluss 38 angeschlossen
ist. Bei einer Druckbeaufschlagung dieses Leitungsstrangs verkürzt sich
die Länge
beider Aktuatoren 16, 18, so dass der Vorder-
oder Hinterwagen abgesenkt wird. Des weiteren stehen die Druckkammern 26, 30 der
Aktuatoren 16, 18 miteinander in Verbindung und
sind am ersten Druckanschluss 36 angeschlossen. Bei einer
Druckbeaufschlagung dieses Leitungsstrangs vergrößert sich die Länge beider
Aktuatoren 16, 18, so dass eine Anhebung des Vorder-
und/oder Hinterwagens stattfindet.
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Ist
das gewünschte
Vorder- oder Hinterwagenniveau erreicht, so wird das Wegeventil 42 in
seine linke Ventilposition (Grundstellung) zurückgeschaltet, in der alle Ventilanschlüsse gesperrt
sind. Da auch das Wegeventil 40 in seine linke Ventilposition
(Grundstellung) zurückgeschaltet
wird, ist kein Austausch von Hydraulikfluid zwischen den Aktuatoren 16, 18 möglich, so
dass sich die Aktuatoren 16, 18 wie starre Anbindungen
verhalten. Der jeweilige, einem gewünschten Vorder- oder Hinterwagenniveau
zugeordnete Druck in den Druckkammern 24, 26, 28, 30 wird
gehalten, wodurch ein Absenken oder Anheben des Vorder- oder Hinterwagens
verhindert ist. Da das Niveau des Fahrzeugaufbaus alleine durch
die Sperrstellung des Wegeventils 42 gehalten wird, kann
der von der Hydraulikpumpe 12 vorgehaltene Druck aus Energiespargründen abgesenkt
werden. Eine aktive Wankstabilisierung ist während dieser Niveauregulierung
nicht möglich.
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Zur
erneuten Absenkung oder Anhebung des Vorder- oder Hinterwagens wird
in dieser Halteposition das Wegeventil 40 wieder in seine
rechte Ventilstellung geschaltet und zunächst am ersten bzw. zweiten
Druckanschluss 36, 38 ein Hydraulikdruck in der
Höhe aufgebaut,
dass ein Druckgleichgewicht in den Druckkammern 26, 30 und
dem ersten Druckanschluss 36 bzw. in den Druckkammern 24, 28 und
dem zweiten Druckanschluss 38 existiert. Danach wird das
Wegeventil 42 wieder geöffnet
und der Druck entsprechend dem gewünschten Vorder- oder Hinterwagenniveau
eingestellt.
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Wird
im Fahrwerksystem 10 ein Fehler festgestellt, so nehmen
die Wegeventile 40, 42 jeweils ihre Grundstellungen
gemäß 1 ein
und erfahren keine Ansteuerung. Die Aktuatoren 16, 18 sind
durch die Überkreuz-Schaltung
des Wegeventils 40 blockiert, so dass sich die Aktuatoren 16, 18 wie
starre Anbindungen verhalten und das Fahrwerksystem als passives
Fahrwerksystem mit einem passiven Stabilisator wirkt.
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In
einer ersten Ausführungsform
gemäß 1 weist
der Ventilblock 22 vier Pilotventile 56, 58, 60, 62 zur
Vorsteuerung der Wegeventile 40, 42 auf. Jedem
Wegeventil 40, 42 sind in bekannter Art und Weise
jeweils zwei Pilotventile 56, 58, 60, 62 zugeordnet,
so dass sich die Wegeventile 40, 42 unabhängig voneinander
schalten lassen. Damit sind folgende vier Schaltkombinationen ausführbar: Beide Wegeventile 40, 42 befinden
sich in der Grundstellung, lediglich das Wegeventil 40 ist
in der Grundstellung, lediglich das Wegeventil 42 ist in
der Grundstellung, und keines der Wegeventile 40, 42 befindet
sich in der Grundstellung.
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Eine
zweite Ausführungsform
des aktiven Fahrwerksystems 10 (2) unterscheidet
sich lediglich in der Vorsteuerung der Wegeventile 40, 42. Ansonsten
wird auf die Erläuterungen
zur ersten Ausführungsform
gemäß 1 hingewiesen.
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In
der zweiten Ausführungsform
sind nur drei Pilotventile 56', 60', 62' zur Vorsteuerung der Wegeventile 40, 42 vorgesehen.
Die Einsparung eines Pilotventils führt dazu, dass die Wegeventile 40, 42 nicht
mehr unabhängig
voneinander geschaltet werden können,
so dass die Schaltkombination, bei der das Wegeventil 42 in
seiner gesperrten Grundstellung verbleibt und das Wegeventil 40 seine
rechte Schaltposition einnimmt, nicht ausführbar ist. Der Verlust dieser
Schaltkombination ist in den dargestellten Ausführungsformen allerdings unerheblich, da
diese Kombination in keiner Fahrsituation benötigt wird.
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Falls
die Wegeventile 40, 42 mit Pilotventilen 56, 58 60, 62; 56', 60', 62' vorgesteuert
sind, weist der Ventilblock 22 neben den obengenannten
Druckanschlüssen
zusätzlich
wenigstens einen Pumpenanschluss 64 und einen Rücklaufanschluss 66 auf.
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Eine
dritte Ausführungsform
des Fahrwerksystems 10 ist schematisch in 3 dargestellt.
Da das allgemeine Funktionsprinzip im wesentlichen dem der ersten
beiden Ausführungsformen
gemäß den 1 und 2 entspricht,
wird diesbezüglich auf
die obigen Erläuterungen
verwiesen.
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In 3 sind
die Aktuatoren 16, 18 über einen Stabilisator 70 miteinander
gekoppelt, wobei der Stabilisator 70 schwenkbar an einer
Fahrzeugkarosserie angebracht ist (nicht gezeigt). Im vorliegenden Fall
weist der Stabilisator 70 einen Sperrmechanismus 72 auf,
der eine freie Schwenkbewegung zwischen dem Stabilisator 70 und
der Fahrzeugkarosserie blockieren kann, so dass im Stabilisator 70 auch bei
einer synchronen Bewegung der Aktuatoren 16, 18,
beispielsweise bei einer Anhebung bzw. Absenkung des Vorder- oder
Hinterwagens, Torsionsmomente bzw. Torsionskräfte generiert werden. Ein solcher
Stabilisator 70 mit Sperrmechanismus 72 kann selbstverständlich auch
bei der ersten und zweiten Ausführungsform
gemäß den 1 und 2 zum Einsatz
kommen.
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Hauptsächlich unterscheidet
sich das Fahrwerksystem 10 gemäß 3 von den
vorherigen Ausführungsformen
durch die Detailkonstruktion des Ventilblocks 22, welche
in 4 dargestellt ist.
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Der
Ventilblock 22 umfasst nach wie vor das Wegeventil 40,
welches in 4 mittels eines Elektromagneten 74 direkt
geschaltet ist, aufgrund des hohen Fluiddurchflusses jedoch alternativ
auch mittels Pilotventilen 56, 58 vorgesteuert
werden kann, analog zu 1.
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Das
Wegeventil 42 gemäß den 1 und 2 ist
in 3 durch zwei parallel geschaltete Wegeventile,
konkret zwei zweistufige Sperrventile 68, 69 ersetzt.
Eine erste Ventilstufe 76 der Sperrventile 68, 69 ist
jeweils (über
einen Elektromagneten 77) elektromagnetisch und eine zweite
Ventilstufe 78 der Sperrventile 68, 69 jeweils
hydraulisch ansteuerbar (gestrichelt dargestellt). Die erste Ventilstufe 76 ist dabei
eine Niederflussstufe, in der lediglich ein kleiner Durchflussquerschnitt
freigegeben bzw. gesperrt wird, wohingegen die zweite Ventilstufe 78 eine Hochflussstufe
ist, in der ein großer
Durchflussquerschnitt freigegeben bzw. gesperrt wird.
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In
einer Grundstellung der Sperrventile 68, 69 (vgl. 4),
sind beide Ventilstufen 76, 78 geschlossen. Ein
Ventilkörper
der ersten Ventilstufe 76 wird von einer Feder 80 in
seine rechte Sperrstellung gedrückt. Über ein
mechanisches Koppelelement 82 drückt die Feder 80 auch
einen Ventilkörper
der zweiten Ventilstufe 78 in seine rechte Sperrstellung,
entgegen der Kraft einer Feder 84. Solange an den Druckanschlüssen 50 und 52 bzw. 48 und 54 im
wesentlichen der gleiche Druck anliegt, heben sich die resultierenden
Kräfte
aus der hydraulischen Ventilansteuerung auf und spielen keine Rolle.
Die Grundstellung entspricht somit insgesamt einer Sperrstellung, in
der kein Fluidfluss durch die Sperrventile 68, 69 möglich ist.
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In
einer üblichen
Betriebsstellung, z. B. bei aktiver Wankstabilisierung oder Niveauregulierung befindet
sich zumindest die zweite Ventilstufe 78, vorzugsweise
beide Ventilstufen 76, 78 der Sperrventile 68, 69 in
einer Offenstellung. Hierzu wird jeweils der Elektromagnet 77 bestromt,
so dass sich der Ventilkörper
der ersten Ventilstufe 76 entgegen der Kraft der Feder 80 nach
links in seine Mittenstellung bewegt und einen Drosselquerschnitt
freigibt. Der Ventilkörper
der zweiten Ventilstufe 78 wird daraufhin von der Feder 84 ebenfalls
nach links in seine Offenstellung bewegt. Vorzugsweise wird der
Elektromagnet 77 so bestromt, dass sich die Mittenstellung
der ersten Ventilstufe 76 einstellt. Die linke Sperrstellung der ersten
Ventilstufe 76 ist im wesentlichen als Sicherheitsstellung
zu sehen, welche die erste Ventilstufe 76 im Falle einer
hohen Magnetkraft infolge der Bestromung des Elektromagneten 77 einnehmen
kann.
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Bei
aktiver Wankstabilisierung nehmen die Sperrventile 68, 69 die
beschriebene Betriebsstellung und das Wegeventil 40 seine
in 4 gezeigte Grundstellung ein. Die Elektromagnete 77 sind
dabei bestromt, wohingegen der Elektromagnet 74 nicht bestromt
ist. An den Druckanschlüssen 50 und 52 bzw. 48 und 54 liegt
im wesentlichen der gleiche Druck an.
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Eine
aktive Anhebung des Vorder- bzw. Hinterwagenniveaus wird im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
gemäß 4 mithilfe
des Sperrventils 69 durchgeführt, welches dem Druckanschluss 54 zugeordnet
ist. Hierzu wird der Elektromagnet 74 bestromt und das
Wegeventil 40 in seine rechte Ventilstellung bewegt, in
der die Druckanschlüsse 44 und 50 bzw. 46 und 48 miteinander
verbunden sind. Durch eine Druckbeaufschlagung des Druckanschlusses 54 kann
nun der Vorder- bzw. Hinterwagen auf ein gewünschtes Niveau angehoben werden.
Während
dieser Niveauregulierung hat das Sperrventil 68 keine besondere
Funktion und befindet sich vorzugsweise in der Offenstellung, wobei
am Druckanschluss 52 ein geringer Druck, bevorzugt etwa
Atmosphärendruck
anliegt.
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In
einer besonderen Ausführungsvariante wird
auf das Sperrventil 68 ganz verzichtet, so dass der Ventilblock 22 lediglich
ein zweistufiges Sperrventil 69 aufweist. Die beschriebenen
Funktionen können
analog auch in dieser Ausführungsvariante realisiert
werden. Da die Sperrventile 68, 69 jedoch sehr
geringe Leckage aufweisen, wird üblicherweise auch
dem Druckanschluss 52 das Sperrventil 68 zugeordnet,
um die gewünschten
Anforderungen hinsichtlich einer maximalen Leckage zu erfüllen, ohne dass
die Ventilbaugruppe 20 dahingehend überprüft oder nachgebessert werden
muss.
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Ist
das gewünschte
Niveau erreicht, werden die Elektromagnete 77 deaktiviert
und der Druck am Druckanschluss 54 wird heruntergefahren.
Der Ventilkörper
der ersten Ventilstufe 76 wird daraufhin von der Feder 80 in
seine rechte Sperrstellung gedrückt. Ferner
wird infolge des Druckunterschieds zwischen den Druckanschlüssen 46, 48 und
dem Druckanschluss 54 auch der Ventilkörper der zweiten Ventilstufe 78 entgegen
der Kraft der Feder 84 in seine Sperrstellung gedrückt, so
dass an den Druckanschlüssen 52, 54 kein
Druck vorgehalten werden muss, um das gewünschte Fahrzeugniveau zu halten.
Die Sperrventilleckage ist in dieser Ventilstellung besonders gering.
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Um
das angehobene Niveau wieder auf „Normalniveau" abzusenken, wird
das Sperrventil 69 durch eine Bestromung des Elektromagneten 77 aktiviert.
Der Ventilkörper
der ersten Ventilstufe 76 wird dadurch nach links in seine
offene Mittenstellung bewegt, in der ein gedrosselter Durchfluss
möglich
ist. Der Ventilkörper
der zweiten Ventilstufe 78 verbleibt aufgrund der hydraulischen
Ansteuerung und dem Druckunterschied zwischen den Druckanschlüssen 46, 48 und
dem Druckanschluss 54 zunächst in der Sperrstellung. Über den
gedrosselten Durchfluss der ersten Ventilstufe 76 nimmt
dieser Druckunterschied jedoch stetig ab, bis der Ventilkörper der
zweiten Ventilstufe 78 schließlich von der Feder 84 ebenfalls nach
links in seine Offenstellung bewegt wird.
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Das
mechanische Koppelelement 82 ist dabei so ausgeführt, dass
es in der rechten Sperrstellung der ersten Ventilstufe 76 auch
die zweite Ventilstufe 78 in die Sperrstellung drückt (vgl.
Grundstellung). Befindet sich der Ventilkörper der ersten Ventilstufe 76 jedoch
in seiner Mittenstellung, so lässt das
Koppelelement 82 sowohl die Sperrstellung als auch die
Offenstellung der zweiten Ventilstufe 78 zu.
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Gegenüber den
Ausführungsformen
gemäß den 1 und 2 weist
die Ausführungsform
gemäß 3 den
Vorteil auf, dass das aktive Fahrwerksystem 10 eine rasche
Anhebung und demgegenüber
eine sanfte Absenkung des Vorder- bzw.
Hinterwagenniveaus ermöglicht.
Die Anhebung erfolgt nämlich
sowohl über
die erste Ventilstufe 76 (Niederflussstufe) als auch über die
zweite Ventilstufe 78 (Hochflussstufe), wohingegen die
Absenkung zunächst
nur über
die erste Ventilstufe 76 (Niederflussstufe) und erst in
einer Endphase über
beide Ventilstufen 76, 78 erfolgt. Durch diese
Funktionalität
erhöht
sich der Nutzerkomfort des Fahrwerksystems 10.
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Da
der Ventilblock 22 in erster Linie zur Nachrüstung eines
bestehenden Fahrwerksystems vorgesehen ist, sind der Ventilblock 22 und
die üblicherweise
ebenfalls als Ventilblock ausgebildete Ventilbaugruppe 20 bevorzugt
als separate Ventilblöcke
ausgebildet, wie in den 1 und 2 dargestellt.
Selbstverständlich
sind alternativ jedoch auch Ausführungsformen
möglich,
bei denen der Ventilblock 22 zur Niveauregulierung einstückig mit
der als Ventilblock ausgebildeten Ventilbaugruppe 20 zur
aktiven Wankstabilisierung ausgebildet oder mit ihr verbunden, beispielsweise
verschraubt, ist.
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Auch
wenn die Fahrwerksysteme in den 1 und 2 lediglich
einen Ventilblock 22 zur Niveauregulierung an einer Fahrzeugachse,
z. B. einer Vorderachse oder Hinterachse eines Kraftfahrzeugs zeigen,
sind selbstverständlich auch
Systemausführungen
denkbar, bei denen analog mehrere, insbesondere alle Fahrzeugachsen
mit einem Ventilblock 22 zur Niveauregulierung ausgestattet
sind.