DE102008040011B4

DE102008040011B4 - Verfahren zum Optimieren der Dämpfung eines Aufhängungssystems während eines Einfederungsereignisses

Info

Publication number: DE102008040011B4
Application number: DE102008040011.4A
Authority: DE
Inventors: Richard J. Knoll; William Golpe; Nikolai K. Moshchuk; Chandra S. Namuduri; Flavio Nardi; Jihan Ryu; Raviraj U. Nayak
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: US8457841B2; DE102008040011A1; US20090062983A1

Abstract

Verfahren zum Optimieren der Dämpfung eines Aufhängungssystems während eines Einfederungsereignisses, wobei das Aufhängungssystem eine Radanordnung, eine Feder und einen Dämpfer umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: ein Plot einer Auslenkung der Radanordnung gegen die Aufhängungsfederkraft der Feder bestimmt wird; eine Radanordnungsmasse m bestimmt wird; eine Federweglänge L der Radanordnung relativ zu einer vorgegebenen Soll-Bodenfreiheit in Ansprechen auf eine vorgegebene anfängliche Radanordnungsgeschwindigkeit U0 oder eine anfänglichen Radgeschwindigkeit U0 in Ansprechen auf eine vorgegebene Federweglänge L der Radanordnung bestimmt wird; und der Dämpfer verstellt wird, sodass eine Kraft, die durch den Dämpfer geliefert wird, und eine Kraft, die durch die Feder geliefert wird, in Ansprechen auf den Plot kollektiv eine konstante Gesamtkraft F(L) an der Radanordnung bereitstellen, die einem Einfederungsereignis der Radanordnung innerhalb der Federweglänge L entgegengesetzt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftfahrzeugaufhängungssysteme, wobei die Kraftfahrzeugkarosserie in Bezug auf jedes ihrer Räder über eine jeweilige Feder-Dämpfer-Kombination gefedert ist. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Optimieren der Dämpfung eines Aufhängungssystems während eines Einfederungsereignisses.
Hintergrund der Erfindung
Kraftfahrzeugaufhängungssysteme sind derart ausgebildet, dass die Räder in der Lage sind, Höhenänderungen in der Fahrbahn zu folgen, wenn das Fahrzeug diese entlang fährt. Beim Antreffen einer Erhöhung in der Fahrbahn spricht die Aufhängung mit einem „Einfedern” an, bei dem das Rad in der Lage ist, sich nach oben relativ zu dem Rahmen des Fahrzeugs zu bewegen. Hingegen spricht die Aufhängung beim Antreffen einer Vertiefung in der Fahrbahn mit einem „Zurückfedern” an, bei dem das Rad in der Lage ist, sich nach unten relativ zu dem Rahmen des Fahrzeugs zu bewegen. Beim Einfedern wie auch beim Zurückfedern ist eine Feder (d. h. eine Spiral-, Blatt-, Torsionsfeder etc.) an dem Rad beteiligt, um ein elastisches Ansprechen an die jeweiligen vertikalen Bewegungen bezüglich des Fahrzeugrahmens bereitzustellen. Um jedoch ein Stoßen der Räder und eine übermäßige Fahrzeugkarosseriebewegung zu vermeiden, ist ein Dämpfer (d. h. ein Stoßdämpfer, ein Federbein etc.) an dem Rad angeordnet, um das Stoßen der Räder zu dämpfen. Außerdem ist es üblich, beim Erreichen der Einfederungsgrenze einen Stoßabsorber für das maximale Einfedern in der Form eines Anschlagkissens vorzusehen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 1 bis 1B sind Komponenten eines herkömmlichen Aufhängungssystems 10 abgebildet, die ein Einfedern und Zurückfedern an einem Rad des gegenständlichen Kraftfahrzeugs 12 zulassen.
Zuerst Bezug nehmend auf 1 ist ein Steuerarm 14 verschwenkbar in Bezug auf den Rahmen 16 befestigt, wobei in dem gezeigten Beispiel eine Torsionsfeder 18 verwendet wird, um ein elastisches Ansprechen für das Einfedern und Zurückfedern des Steuerarmes relativ zu dem Rahmen vorzusehen. Um eine Kontrolle über die Einfederungs- und Zurückfederungsrate vorzusehen, ist ein Dämpfer in der Form eines Stoßdämpfers 20 an einem Ende verschwenkbar mit dem Rahmen 16 verbunden und an dem anderen Ende verschwenkbar mit dem Steuerarm 14 verbunden. Alternativ kann ein Dämpfer in der Form eines Federbeines in dem Aufhängungssystem verwendet werden, wie z. B. in dem US-Patent US 5,467,971 A offenbart. Um ein Abfedern in dem Fall vorzusehen, wenn ein maximales Einfedern erfolgt, ist ein Einfederungsanschlagkissen 22 an dem Rahmen 16 befestigt, das durch die Bewegung des Steuerarmes elastisch zusammengedrückt wird, wenn ein Einfedern sein Maximum erreicht.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 1A werden die inneren Komponenten und funktionellen Aspekte eines herkömmlichen Stoßdämpfers 20' (eines Hochdruckgas-Stoßdämpfers mit getrenntem Vorratsbehälter, der rein beispielhaft gezeigt ist) verständlich. Ein ventilbestückter Kolben 30 ist innerhalb eines Dämpferzylinders 32 hin- und herbewegbar. Eine Dämpferstange 34 ist an dem ventilbestückten Kolben 30 angebracht und ist durch eine Dämpferstangenführung 36 an einem Ende des Dämpferzylinders 32 geführt. Unter dem ventilbestückten Kolben 30 und über der Dämpferstangenführung 36 befindet sich ein wechselweise wirkender Zurückfederungsbegrenzer 38. Die augenblickliche Position des ventilbestückten Kolbens 30 innerhalb des Dämpferzylinders 32 definiert einen ersten inneren Abschnitt 32F und einen zweiten inneren Abschnitt 32S des Inneren des Dämpferzylinders. In dem in 1A gezeigten Beispiel wird die Druckbeaufschlagung in dem ersten und dem zweiten inneren Abschnitt 32F, 32S durch ein Hydraulikfluid O bereitgestellt, das durch ein Druckgas, vorzugsweise Stickstoff, G, unter Druck gesetzt wird und auf einen Verteilerkolben 40 eines Hydraulikfluidreservoirzylinders 42 wirkt, wobei ein Rohr 44 mit einem Bodenventil 44V das Hydraulikfluid zwischen dem Hydraulikfluidreservoirzylinder und dem ersten inneren Abschnitt verbindet. Im Betrieb, wenn der Steuerarm ein Einfedern erfährt, wird das Hydraulikfluid aus dem ersten inneren Abschnitt in den Hydraulikfluidreservoirzylinder hinein verdrängt und bewirkt, dass der Druck des Stickstoffgases ansteigt, da sein Volumen sich verringert, und dadurch einen erhöhten hydraulischen Druck an dem ventilbestückten Kolben 30 in einer Richtung zu der Dämpferstangenführung hin bewirkt. Das Hydraulikfluid ist zu einer gerichteten Dosierung durch die Ventilsteuerung 46 des ventilbestückten Kolbens 30 auf eine Weise in der Lage, die für eine Dämpfung sorgt.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 1B wird die innere Struktur eines herkömmlichen Einfederungsanschlagkissens 22 verständlich. Eine optionale Haut 50 aus einem fügsamen Material (d. h., das Energie absorbierende oder Dämpfungseigenschaften aufweist) kann über einem Innenraum eines elastischen Elastomermaterials 52 liegen oder nicht, das z. B. ein Gummi, ein gummiartiges Material oder mikrozelluläres Urethan sein kann. Im Betrieb, wenn der Steuerarm sich der maximalen Einfederung nähert, wird das Einfederungsanschlagkissen 22 zusammengedrückt und liefert eine Reaktionskraft an den Steuerarm, die mit zunehmender Einfederung ansteigt, um die Stärke eines Aufpralls des Steuerarmes in Bezug auf den Rahmen an der Einfederungsgrenze zu minimieren. Unmittelbar anschließend an das Einfedern beinhaltet das Zurückfedern, dass die durch das Zusammendrücken des herkömmlichen Anschlagkissens absorbierte Energie elastisch zurück an die Aufhängung geliefert wird.
Auf dem Gebiet von Kraftfahrzeugaufhängungssystemen ist bekannt, dass ein herkömmliches Einfederungsanschlagkissen und verwandte Dämpfer Verschleiß zeigen können. Es ist auch bekannt, dass, wenn die Energie, die von einer bestimmten Erhöhung oder Vertiefung absorbiert wird, die Kapazität eines herkömmlichen Einfederungsanschlagkissens überschreitet, ein harter mechanischer Anschlag in Eingriff tritt. Diese abrupte Übertragung von Einfederungskraft und -energie auf den Rahmen manifestiert sich im Fahrgastraum als ein scharfer Ruck, der Ladungsverteilungsprobleme zusätzlich zu der Unannehmlichkeit einer holprigen Fahrt erzeugen kann. Des Weiteren muss die Struktur des Rahmens, damit der Rahmen solche Stoßbelastungen annehmen kann, für eine entsprechende Festigkeit konstruiert sein, die im Hinblick auf das hinzugefügte Fahrzeuggewicht, das solche Strukturen unvermeidlich mit sich bringen, unerwünscht ist.
Die Fahrzeugaufhängungstechnik hat sich traditionellerweise auf das Fahren und Handling konzentriert, da dies die relative Karosserie- und Radbewegung in Bezug auf die Karosserie unterhalb von etwa 1,5 m/s (Meter pro Sekunde) betrifft. Allerdings sind die Aufhängungsfederweganforderungen in einem Fahrzeug hauptsächlich durch heftige Ereignisse bedingt, die maximale Auslenkungen des Rades relativ zu der Karosserie erzeugen. Diese heftigen Ereignisse, z. B. wenn das Fahrzeug auf ein tiefes und steilwandiges Schlagloch trifft, können Radgeschwindigkeiten (relativ zu der Karosserie) von bis zu 9 m/s erzeugen.
Ein von den Bayerischen Motorenwerken (BMW), München, Deutschland, verfolgter Ansatz ist in der europäischen Patentanmeldung EP 1 569 810 B1 , veröffentlicht am 7. September 2005, beschrieben, wobei die Anmeldung zur gleichen Patentfamilie wie die US-Patentanmeldung US 2006/0243548 A1 , veröffentlicht am 2. November 2006, gehört.
Das Ziel der BMW-Offenbarung der nächstkommenden EP 1 569 810 B1 besteht darin, ein Schwingungsdämpfungsverfahren an einer Kraftfahrzeugradaufhängung mithilfe eines hydraulischen Schwingungsdämpfers vorzusehen, der große Belastungen an der/dem Fahrzeugkarosserie und -fahrwerk verhindert, die durch sehr große vertikale Geschwindigkeiten des Rades, z. B. beim Fahren über Schlaglöcher, verursacht werden. Gemäß der BMW-Offenbarung wird von BMW in einem hydraulischen Schwingungsdämpfer für ein Kraftfahrzeug ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung an einer Radaufhängung verwendet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dämpfungskraft des Schwingungsdämpfers als eine Funktion der Kolbengeschwindigkeit zunimmt, insbesondere im Kolbengeschwindigkeitsbereich von im Wesentlichen 0 bis 2 m/s, wobei sie zuerst langsam, im Wesentlichen linear ansteigt, und dann, insbesondere oberhalb einer Kolbengeschwindigkeit von im Wesentlichen 2 m/s gemäß einer hochprogressiven Funktion ansteigt. Des Weiteren ist es gemäß der BMW-Offenbarung möglich, durch ein/e geeignete/n Wahl, Konstruktion und Aufbau von Schwingungsdämpferventilen oder durch anderweitiges Beeinflussen der hydraulischen Widerstände in dem Schwingungsdämpfer möglich, eine Charakteristik zu implementieren, die durch Dämpfungskräfte erzeugt wird, die aus dem Stand der Technik im Kolbengeschwindigkeitsbereich bis zu dem Ende des Bereichs, der für den Komfort relevant ist, bekannt ist, und jenseits dieses Kolbengeschwindigkeitsbereiches wird eine extreme Progression der Dämpfercharakteristik induziert, um die beschleunigten Massen in einem stärkeren Ausmaß zu verlangsamen.
Während die BMW-Offenbarung versucht, eine Lösung für das Langzeitproblem der Dämpfung übermäßig großer Rad-zu-Karosserie-Geschwindigkeiten vorzusehen, während sie versucht, ein annehmbares Fahren und Handling für niedrige Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten, erfordert die Offenbarung ein ad hoc-Vertrauen auf eine vorausgesetzte und notwendige Dämpferkurve, die ohne jede grundlegende Physik ist, die irgendeinen der Kurvenaspekte unterstützt. Demnach besteht auf dem technischen Gebiet noch immer Bedarf an einer analytischen Methodik zur Vorhersage von Dämpfungskurven, die das Ziel einer Dämpfung übermäßig großer Rad-zu-Karosserie-Geschwindigkeiten wirklich erreichen und dabei versuchen, ein annehmbares Fahren und Handling für niedrige Geschwindigkeiten zu erhalten.
Von zusätzlicher Bedeutung ist die technische Schrift 9 306 714 der Japanischen Gesellschaft für Automobiltechniker (Japan Society of Automotive Engineers), JSAE, von Miyazaki, Kiyoaki, Yasai, Hirofumi, „A study of ride improvement of the bus”, JSAE Autumn Convention (Herbsttagung) Nagoya, Japan, 19.–21. Oktober 1993, in der die Autoren bestätigten, dass eine progressive Dämpfungscharakteristik wirksam für die Reduktion der Nick- und Stoßschwingung ist.
Von weiterer Bedeutung ist die technische Schrift 2006-01-1984 der Gesellschaft für Automobiltechniker (Society of Automotive Engineers), SAE, von Benoit Lacroix, Patrice Seers und Zhaoheng Liu, „A Passive Nonlinear Damping Design for a Road Race Car Application”, in der ein nichtlinearer, passiver Dämpfungsaufbau vorgeschlagen wird, um die Handlingleistung eines Formel SAE-Autos im Hinblick auf Roll- und Nickreaktionen zu optimieren.
Ferner wird in der DE 199 07 432 A1 ein Verfahren zur Verbesserung des Schwingkomforts von Fahrzeugen beschrieben, die mit Federn und in der Regel hydraulischen Schwingungsdämpfern ausgestattet sind, wobei in an sich bekannter Weise die Dämpfer stufenweise umgeschaltet werden zwecks Anpassung an die Unebenheit der Fahrbahn und zur Umstellung in eine andere Dämpferstufe Bewegungsgrößen der Schwingungen wie Schwingweg, Schwinggeschwindigkeit oder Schwingbeschleunigung ausgewertet werden. Dabei wird die Dämpfereinstellung kontinuierlich nach der an der Feder gemessenen augenblicklichen Kraft so erhöht oder erniedrigt, dass die Kraft der Feder von der Dämpferkraft aufgehoben wird, was bedeutet, dass die Dämpferkraft stets der Federkraft entspricht.
Ein anderes Feder-Dämpfer-System wird in der DE 101 31 799 A1 erläutert, wobei die dämpfende und die federnde Kraft durch Anlegen eines elektrischen Feldes an ein rheologisches Dämpfermedium konstant gehalten oder variiert werden kann.
Eine progressive Dämpfung wird durch das Verfahren der Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Belastung beim Einfedern und zum Reduzieren eines Eingriffs in den Einfederungsaufhängungsanschlag als ein Ermöglicher betrachtet, der ein Fahreingangsgefühl eines harten Stoßes reduziert, wenn man heftigen Ereignissen begegnet. Es ist auch notwendig, Ermöglicher zu entwickeln, um den gesamten Einfederungsweg zu reduzieren, sodass ein gegebenes Fahrzeug mit einer geringeren Bodenfreiheit versehen sein kann, um Wettbewerbs-Stylingmarkierungen zu ermöglichen. Eine geringere Bodenfreiheit erhöht üblicherweise das Härteniveau für ein Ereignis wie z. B. ein tiefes Schlagloch und andere heftige Ereignisse.
Auf dem Gebiet der Technik besteht daher weiterhin Bedarf an einer analytischen Methodik für die Spezifizierung einer progressiven, optimalen Einfederungsdämpfung, die es der Aufhängung gestattet, heftige Ereignisse mit reduzierter Härte zu bewältigen, und dennoch ein/e sehr annehmbare/s Fahrqualität und Handling während Routineereignissen vorsieht, Spitzenbelastungen an der Rahmenstruktur begrenzt, einen Radfederweg reduziert und eine geringere Bodenfreiheit zulässt.
In erster Linie liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Optimieren der Dämpfung eines Aufhängungssystems zu schaffen, durch dessen Anwendung harte Stöße zuverlässig gedämpft werden können, ohne dass dies zu Lasten des Fahrkomforts geht.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 6 aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist eine analytische Methodik für die Spezifizierung einer progressiven optimalen Einfederungsdämpfung, die es einem Kraftfahrzeugaufhängungssystem ermöglicht, heftige Ereignisse wie z. B. Schlaglöcher mit einer reduzierten Härte zu bewältigen und dennoch ein/e sehr annehmbare/s Fahrqualität und Handling während Routineereignissen wie z. B. normalen Fahrbahnen vorsieht, Spitzenbelastungen an der Rahmenstruktur begrenzt, einen Radfederweg reduziert und eine geringere Bodenfreiheit zulässt.
In einem breitesten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpfungsreaktion der Radanordnung in Bezug auf die Karosserie vorgesehen. In einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für eine progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpfungsreaktion der Radanordnung in Bezug auf die Karosserie vorgesehen.
Das Verfahren zum Bereitstellen einer progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpfungsreaktion der Radanordnung in Bezug auf die Karosserie wird aus Bewegungsgleichungen der Radmitte der Radanordnung ohne anfängliche äußere Kräfte, ohne eine anfängliche Auslenkung, und wobei die auf die Radmitte wirkende Gesamtkraft während der Verlangsamung der Radmitte von einer anfänglichen Geschwindigkeit U₀ auf eine Geschwindigkeit von null im Wesentlichen konstant ist (hierin nachfolgend einfach als „konstante Gesamtkraft” bezeichnet) erzeugt. Die konstante Gesamtkraft steht mit einer bestimmten Federweglänge der Radmitte in Beziehung, sodass, wenn sich die Radmitte bei der bestimmten Federweglänge befindet, ihre Geschwindigkeit null ist, die Dämpferkraft null ist und die Aufhängungsfeder um die bestimmte Federweglänge zusammengedrückt ist, wodurch die Aufhängungsfederkraft gleich der konstanten Gesamtkraft ist, und wenn die Radmitte sich bei einer Auslenkung von null befindet, ist ihre Geschwindigkeit U₀, die Aufhängungsfeder ist in Bezug auf ein Gleichgewicht nicht zusammengedrückt, wodurch die Aufhängungsfederkraft null ist, und die Dämpferkraft entspricht der konstanten Gesamtkraft. Unter den obigen Bedingungen ist die Menge der von dem Dämpfer abgeführten Energie maximiert und die Gesamtbelastung an der Karosserie ist minimiert, wodurch eine progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft beschafft wird, die für alle Auslenkungen der Radmitte von null bis zu der/n vorbestimmten Federweglänge und Geschwindigkeiten von U₀ bis null gültig ist.
Die Aufhängungsfeder kann eine Spiralfeder, einen Einfederungsanschlag, Streben und weitere Aufhängungswirkungen umfassen. Die Aufhängungsfederkraft als eine Funktion des Radmittenfederweges kann im Labor mit dem Standardverfahren bestimmt werden, bei dem die Reifeneinlagen vertikal einfedernd und zurückfedernd betätigt werden, wobei die Kraft über Krafttabellen und Radumwandlungssysteme gemessen wird.
In der Praxis beruht eine vorbestimmte Dämpferkraft, die auf die Radmitte unterhalb einer Radmittengeschwindigkeit u₁ von ungefähr 2,0 m/s wirkt, gemäß der Methodik nach dem Stand der Technik auf Fahr- und Handlingüberlegungen für ein gegebenes Fahrzeug oder Fahrzeugmodell, und es sollte diesbezüglich keine Änderung erfolgen. Ein Verfahren zum Bereitstellen einer progressiven, optimalen, eingeschränkten Dämpfungsreaktion der Radanordnung in Bezug auf die Karosserie, in dem die vorbestimmte Dämpferkraft, die bei oder unterhalb einer Radmittengeschwindigkeit u₁ von ungefähr 2,0 m/s auf die Radmitte wirkt, nicht geändert wird, wird wie unten beschrieben generiert:

1. Eine progressive, optimale, eingeschränkte Dämpferkraft wird aus Bewegungsgleichungen der Radmitte ohne anfängliche äußere Kräfte, mit einer anfänglichen Auslenkung x₀, wenn die anfängliche Geschwindigkeit U₀ ist und die auf die Radmitte wirkende Gesamtkraft während der Verlangsamung der Radmitte von einer Geschwindigkeit U₀ auf eine empirisch bestimmte Geschwindigkeit u₂ konstant ist, beschafft. Die auf die Radmitte wirkende konstante Gesamtkraft steht mit Bewegungsgleichungen der Radmitte und vorbestimmten Fahrzeugparametern in Beziehung.
2. Eine gleichmäßige, kontinuierliche Dämpfungskraft-Übergangsfunktion wird beschafft, die sich vorzugsweise einer Stufenfunktion annähert und eine Dämpfungskraft aus der Radmittengeschwindigkeit u₁ bis zu einer empirisch bestimmten Radmittengeschwindigkeit u₂ entwickelt, die größer ist als u₁, aber benachbart zu u₁ ist.
3. Die auf die Radanordnung wirkende vorbestimmte Dämpferkraft wird unterhalb von oder bei einer Radanordnungsgeschwindigkeit u₁ verwendet.

Die konstante Gesamtkraft steht mit der bestimmten Federweglänge der Radmitte in Beziehung, sodass, wenn die Radmitte sich bei der bestimmten Federweglänge befindet, ihre Geschwindigkeit null ist, die Dämpferkraft null ist und die Aufhängungsfeder um die bestimmte Federweglänge zusammengedrückt ist, wodurch die Aufhängungsfederkraft gleich der konstanten Gesamtkraft ist, und wenn die Radmitte sich bei einer Auslenkung x₀ befindet, ist ihre Geschwindigkeit U₀ und die Aufhängungsfeder ist um x₀ zusammengedrückt.
Mit den obigen Bedingungen ist der Energiebetrag, der durch den Dämpfer abgeführt wird, maximiert, und die Gesamtbelastung an der Karosserie ist minimiert, wobei eine progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion beschafft wird, die für alle Auslenkungen der Radmitte von null bis zu der/n bestimmten Federweglänge und Geschwindigkeiten von U₀ bis null gültig ist.
Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine analytische Methodik für die Spezifizierung einer progressiven, optimalen Einfederungsdämpfung vorzusehen, die es einem Kraftfahrzeugaufhängungssystem gestattet, heftige Ereignisse wie z. B. Schlaglöcher mit reduzierter Härte zu bewältigen, und dennoch ein/e sehr annehmbare/s Fahrqualität und Handling während Routineereignissen wie z. B. normalen Fahrbahnen vorsieht, Spitzenbelastungen an der Rahmenstruktur begrenzt, einen Radfederweg reduziert und eine geringere Bodenfreiheit zulässt.
Dieses und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform besser verständlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Kraftfahrzeugaufhängungssystems, das einen Steuerarm, einen Rahmen, eine Feder, einen herkömmlichen Stoßdämpfer und ein herkömmliches Anschlagkissen umfasst.
1A ist eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen Stoßdämpfers.
1B ist eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen Anschlagkissens.
2 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugaufhängungssystems, die eine gefederte Masse (d. h. eine Fahrzeugkarosserie), eine ungefederte Masse (d. h. eine Radanordnung), eine Feder, einen Dämpfer und einen Einfederungsanschlag eines Kraftfahrzeugs zeigt.
3 ist ein Graph eines Plots einer Aufhängungsfeder-Normalkraft gegen die Radmittenauslenkung für ein repräsentatives Kraftfahrzeug.
4 ist ein Graph einer progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpfungskraft an der Radmitte gegen die vertikale Radmittengeschwindigkeit für das repräsentative Kraftfahrzeug von 3 gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Graph einer Dämpferkraft gegen die Dämpfergeschwindigkeit für das repräsentative Kraftfahrzeug von 3, der einen ersten Plot einer Dämpfung für einen herkömmlichen passiven Dämpfer und einen zweiten Plot einer progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus für eine progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft gemäß einem breitesten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
7A ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus zum Bestimmen einer konstanten Gesamtkraft für eine progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion gemäß einem am stärksten bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
7B ist ein Beispiel eines Graphen, der beispielhafte Plots zum Ausführen des Algorithmus von 7A zeigt.
7C ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus für die progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion gemäß einem am stärksten bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Graph einer Dämpferkraft gegen die Dämpfergeschwindigkeit, der einen ersten Plot einer Dämpfung für einen herkömmlichen passiven Dämpfer und einen zweiten Plot einer progressiven, optimalen, eingeschränkten Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung unter der Maßgabe des Plots von 3 zeigt.
9 ist ein Graph der Zeit gegen die Aufhängungsgesamtbelastung, der einen ersten Plot einer simulierten Aufhängungsbelastung mit einer herkömmlichen passiven Dämpfung; einen zweiten Plot einer simulierten Aufhängungsbelastung mit einer progressiven, optimalen, eingeschränkten Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung; und einen dritten Plot einer simulierten Aufhängungsbelastung mit einer progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen die 2 bis 9 verschiedene Aspekte der Methodik gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen einer optimierten Dämpfung in einem Kraftfahrzeugaufhängungssystem.
Allgemein gesprochen wird die Leistung von Kraftfahrzeugen bei heftigen Fahrbahnereignissen mithilfe eines Straßenbelags getestet, der eine Reihe von Schlaglöchern enthält. Beispielsweise würde ein kleines Schlagloch eine flache Grube sein und ein etwas ausgeprägteres Schlagloch würde eine tiefere Grube sein, die in der Lage wäre, Insassen ein Gefühl eines Stoßes zu vermitteln; und ein Schlagloch, das ein „heftiges Ereignis” ist, wäre eine kastenförmige abfallende Grube mit einer harten, viereckigen Kante an der Rückseite.
Die folgende Analyse konzentriert sich auf eine Kraftfahrzeugaufhängungsreaktion auf die Überquerung eines Schlagloches, das ein „heftiges Ereignis” ist. Während der Überquerung eines Schlagloches, das ein „heftiges Ereignis” ist, fällt das Rad zuerst in das Schlagloch, gefolgt von der fallenden Karosserieecke, und trifft dann, in einer bereits eingefederten Position (im Vergleich zu einer Soll-Bodenfreiheitsposition), auf eine steile Erhöhung, die einer Stufe angenähert ist. Reifenkräfte beschleunigen dann das Rad und die Aufhängung federt tief ein. Die vertikale Radgeschwindigkeit erreicht ihre Spitze, etwa 5 m/s (hierin werden MKS-Einheiten verwendet), irgendwann im Verlauf des Einfederungsweges und nimmt dann am Maximum des Einfederungsweges (wo die maximale vertikale Stoßdämpferdombelastung erreicht ist) auf null ab. Der Verlangsamungsabschnitt des Einfederungsereignisses (von der maximalen Radgeschwindigkeit auf null) wird mithilfe eines nichtlinearen mechanischen Systems mit einem Freiheitsgrad (1DOF, von 1 degree of freedom) modelliert, wie nachfolgend beschrieben.
2 ist eine schematische Darstellung 200 eines im Stand der Technik typischerweise verwendeten Fahrzeugaufhängungssystems, und zeigt die Beziehung zwischen einer vorbestimmten gefederten Masse 200 (d. h. der Fahrzeugkarosserie), einer vorbestimmten ungefederten Masse m (d. h. der Radanordnung), einer nichtlinearen vorbestimmten Feder 204, einem nichtlinearen Dämpfer 206 (d. h. einem Stoßdämpfer etc.) und einem Einfederunganschlag 208. Die vorbestimmte gefederte Masse 202 ist hierin einfach als die „Karosserie” bezeichnet, wobei die Karosserie als die Referenz zum Messen der Geschwindigkeit der ungefederten Masse dient, und die vorbestimmte ungefederte Masse m ist einfach als die „Radanordnung” 216 bezeichnet.
In 2 steht die Geschwindigkeit x . oder y (d. h. y = x .) in der vertikalen Richtung x der Radmitte C_w der Radanordnung 216 in Bezug auf die Karosserie mit der Geschwindigkeit v der Unterseite 214 des Dämpfers 206, wo er mit der Radanordnung an einem Punkt 212 verbunden ist, in der vertikalen Richtung x in Bezug auf die Karosserie über ein vorbestimmtes Verhältnis r in Beziehung, sodass y = v/r. Die Geschwindigkeit v ist hierin als die Dämpfergeschwindigkeit bezeichnet und die Radmitte C_w ist die Mittellinie der Radanordnung 216.
Die Radanordnung 216 ist über die nichtlineare vorbestimmte Feder 204 und über den nichtlinearen Dämpfer 206 an der Karosserie 202 angebracht (der Einfederungsanschlag 208 ist üblicherweise unabhängig zwischen die Radanordnung und die Karosserie geschaltet). Die Auslenkung der Radmitte in Bezug auf die Gleichgewichtsposition (Soll-Bodenfreiheit) 210 ist in der vertikalen Richtung x und L ist die Federweglänge der Radmitte in Bezug auf die Gleichgewichtsposition in der vertikalen Richtung x, die einen Abschnitt des Einfederungsanschlags 208 umfassen könnte, und entspricht auch der Einfederungslänge der vorbestimmten Feder 204.
Die Einfederungslänge L ist kleiner oder gleich einer vorbestimmten maximalen Einfederungslänge L_MAX in der vertikalen Richtung x, wie in 2 rein beispielhaft gezeigt. Die Radanordnung 216 und ihre Masse m, die vorbestimmte Einfederungslänge L, die vorbestimmte maximale Einfederungslänge L_MAX, die Feder 204, die Karosserie 202 und das vorbestimmte Verhältnis r sind für ein spezielles Fahrzeug oder Fahrzeugmodell durch den Fahrzeughersteller analytisch oder empirisch bestimmt.
Die Bewegungsgleichung ohne äußere Kräfte, die auf die Radmitte C_w wirken, besitzt die folgende Form mit den gegebenen Anfangsbedingungen: mx .. + F(x) + Φ(x .) = 0, x(0) = x₀, x .(0) = U₀ (1) wobei x die Auslenkung der Radmitte in Bezug auf die Gleichgewichtsposition 210 ist, x . oder y (d. h. y = x .) die Radmittengeschwindigkeit in Bezug auf die Karosserie 202 ist, x .. die Radmittenbeschleunigung in Bezug auf die Karosserie ist, Φ(x .) die Dämpferkraft des Dämpfers 206 als eine Funktion der Radmittengeschwindigkeit x . ist, F(x) die Aufhängungsfederkraft der Feder 204 ist, die auf die Radmitte C_w bei der Auslenkung x wirkt, was einer Einfederung der Feder um eine Auslenkung x entspricht, x(0) die Position der Radmitte zum Zeitpunkt t = 0 in Bezug auf die Gleichgewichtsposition 210 ist, x₀ die anfängliche Position der Radmitte zum Zeitpunkt t = 0 in Bezug auf die Gleichgewichtsposition 210 ist, x .(0) die Geschwindigkeit der Radmitte in Bezug auf die Karosserie 202 zum Zeitpunkt t = 0 ist, die Federweglänge L vorbestimmt ist und U₀ eine vorbestimmte Anfangsgeschwindigkeit der Radmitte in Bezug auf die Karosserie zum Zeitpunkt t = 0 ist. In Wirklichkeit liegen die Aufhängungsfederungsfeder und der Dämpfer nicht nebeneinander und der vertikale Radmittenfederweg ist der Dämpfer(Stoßdämpfer)-Auslenkung nicht gleich. Bei dem gegebenen vorbestimmten Verhältnis r, y = v/r des Dämpfer(Stoßdämpfer)-Federweges pro Einheit des vertikalen Radmittenfederweges, wobei v die Dämpfer(Stoßdämpfer)-Geschwindigkeit ist, und eine vorbestimmte anfängliche Dämpfergeschwindigkeit V₀ ist, kann U₀ aus U₀ = V₀/r berechnet werden.
Für das durch die Gleichung (1) beschriebene System 200 ist die Aufhängungsfederkraft F(x) der Feder 204, die auf die Radmitte C_w wirkt, unter der Annahme, dass die Geschwindigkeit x . = y = 0, wenn x = L ≤ L_MAX, gleich F(L). Wenn die Gesamtkraft Fix) + Φ(x .), die auf die Radmitte C_w, während ihrer Verlangsamung von U₀ auf 0 wirkt, konstant und gleich F(L) ist, dann ist die durch den Dämpfer 206 abgeführte Energiemenge maximiert, und die Gesamtbelastung an der Karosserie 202 ist minimiert. Dies führt zu der folgenden Bedingung: F(x) + Φ(y) = F(L) = konstant (2) die gültig ist für 0 ≤ x ≤ L ≤ L_MAX und 0 ≤ y ≤ U₀, wobei Φ(y) = Φ(x .) eine gleichmäßige, kontinuierliche und monoton steigende, progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft des Dämpfers 206 als eine Funktion einer Radmittengeschwindigkeit y repräsentiert.
Für die Anfangsbedingungen der Radmitte C_w x(0) = x₀ = 0 und x .(0) = U₀ kann dann, wenn die Gesamtkraft, die auf die Radmitte wirkt, während deren Verlangsamung von einer Geschwindigkeit U₀ auf 0 konstant und gleich F(L) ist und die progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Φ(y = 0) = 0, die progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Φ(y) als eine Funktion der Radmittengeschwindigkeit y von Gleichung (2) ausgedrückt werden als:
wobei 0 ≤ y ≤ U₀ und
was eine Einschränkung der kinetischen Energie darstellt, und wobei ”*” ein Multiplikationssymbol darstellt.
Die Funktion
ist die Aufhängungsfederkraft der Feder 204, die auf die Radmitte C_w wirkt, wenn die Radmittengeschwindigkeit y ist, wobei 0 ≤ y ≤ U₀.
Da y = v/r und U₀ = V₀/r, kann mithilfe von Gleichung (3) eine progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Ψ₁(v) als eine Funktion der Dämpfergeschwindigkeit v ausgedrückt werden als: Ψ₁(v) = Φ(y = v/r) / r (5) oder äquivalent als:
Die Funktion
ist die Aufhängungsfederkraft der Feder 204, die auf die Radmitte C_w wirkt, wenn die Dämpfergeschwindigkeit v ist, wobei 0 ≤ v ≤ V₀.
Ein Beispiel einer Implementierung des vorher Gesagten wird nun unter Bezugnahme auf die 3 und 4 im Detail erläutert, wobei die 3 ein Graph 300 eines Plots 302 einer Aufhängungsfeder-Normalkraft gegen die Radmittenauslenkung für ein repräsentatives Kraftfahrzeug ist; und 4 ein Graph 400 einer progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpferkraft Φ(y) gegen die vertikale Radmittengeschwindigkeit, Plot 402, für das repräsentative Kraftfahrzeug von 3 gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Bei gegebener Radanordnungsmasse m und Geschwindigkeit U₀ kann die Federweglänge L aus der Einschränkung der kinetischen Energie von Gleichung (4) wie folgt bestimmt werden: Ein Graph des Produkts der Federauslenkung x multipliziert mit der Aufhängungsfederkraft F(x) (d. h., xF(x)) gegen die Federauslenkung x für die vorbestimmte Feder 204 wird gezeichnet. Der Punkt auf der X-Achse des Plots, wo die xF(x)-Achse gleich
ist, entspricht der vorbestimmten Federweglänge L, wobei L ≤ L_MAX, wobei U₀ derart gewählt ist, dass L ≤ L_MAX. Dann kann F(L) aus einem Graphen (wie in 3) eines Plots einer Aufhängungsfederkraft F(x) gegen die Federauslenkung x für die vorbestimmte Feder 204 ermittelt werden.
Die Größe
in Gleichung (3) kann für eine Geschwindigkeit y berechnet werden, wobei 0 ≤ y ≤ U₀, wodurch die Aufhängungsfederkraft
der vorbestimmten Feder 204 aus dem Graphen der Aufhängungsfederkraft F(x) gegen die Federauslenkung x der vorbestimmten Feder beschafft werden kann (d. h. 3). Nun kann die progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Φ(y) als eine Funktion der Radmittengeschwindigkeit y des Dämpfers 206 aus Gleichung (3) bestimmt werden. Anschließend kann ein Plot der progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpferkraft Φ(y) gegen y für verschiedene Werte von y mithilfe von Gleichung (3) beschafft und gezeichnet werden.
Alternativ zu dem unmittelbar vorhergehenden Absatz kann F(L) bei einer gegebenen Federweglänge L aus einem Graphen (wie in 3) eines Plots der Aufhängungsfederkraft F(x) gegen die Federauslenkung x für die vorbestimmte Feder 204 ermittelt werden. Die Geschwindigkeit U₀ kann aus Gleichung 4 bestimmt werden. Die Größe
in Gleichung (3) kann für eine Geschwindigkeit y berechnet werden, wobei 0 ≤ y ≤ U₀, wodurch die Aufhängungsfederkraft
der vorbestimmten Feder 204 aus dem Graphen der Aufhängungsfederkraft F(x) gegen die Federauslenkung x der vorbestimmten Feder (d. h. 3) beschafft werden kann. Die progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Φ(y) als eine Funktion der Radmittengeschwindigkeit y des Dämpfers 206 kann nun aus Gleichung (3) bestimmt werden. Ein Plot der progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpferkraft Φ(y) gegen y kann anschließend für verschiedene Werte von y mithilfe der Gleichung (3) beschafft und gezeichnet werden.
Zum Beispiel ist in 4 m = 55,5 kg, L_MAX = 0,095 m, L = 0,081 m, V₀ = 2,7 m/s und r = 0,65, woraus U₀ = 2,7/0,65 m/s = 4,1538 m/s. Aus Punkt 304 von 3 ist F(L) ungefähr 5,9 kN für L = 0,081 m entsprechend dem Punkt 404 von 4, wobei U₀ = 4,1538 m/s, was mit Gleichung (3) übereinstimmt, wo Φ(U₀) = F(L).
Für eine Radmittengeschwindigkeit von z. B. y = 2 m/s ist die Größe
= 0,062 und
von Punkt 306 von 3 ist ungefähr 2,8 kN. Die progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Φ(y) aus Gleichung (3) wird mit ungefähr (5,9 – 2,8) kN = 3,1 kN berechnet, wobei Punkt 406 von 4 erhalten wird. Anschließend können Punkte des Plots 402 auf ähnliche Weise für verschiedene Werte von y beschafft werden.
5 ist ein Graph 500 einer Dämpferkraft gegen die Dämpfergeschwindigkeit für das repräsentative Kraftfahrzeug der 3 und 4, der einen ersten Plot 502 einer Dämpfungskraft für einen herkömmlichen passiven Dämpfer und einen zweiten Plot 504 einer progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpferkraft Ψ₁(v) als eine Funktion der Dämpfergeschwindigkeit v gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
In Anbetracht von 4, Ψ₁(v), kann der Plot 504 aus Gleichung (5) bestimmt werden. Zum Beispiel ist an dem Punkt 406 von 4 Φ(y) ungefähr 3,1 kN und y = 2 m/s, wodurch v = y·r = 2·0.65 m/s = 1,3 m/s. Aus Gleichung (5) ist Ψ₁(v) = 3,1/0,65 kN = 4,8 kN, wenn v = 1,3 m/s, wobei Punkt 506 in 5 erhalten wird. Anschließend können Punkte des Plots 504 auf ähnliche Weise für verschiedene Werte von y oder v beschafft werden.
Ψ₁(v), Plot 504, kann auch aus Gleichung (6) bestimmt werden. Zum Beispiel ist für L = 0,081 m F(L) aus 3 ungefähr 6,1 kN. Für V₀ = 2,7 m/s und v = 1,3 m/s ist aus 3
und F(0,062) = 2,8 kN.
Aus Gleichung (6), wobei r = 0,65, wird Ψ₁(v) mit 4,7 kN berechnet, wobei Punkt 506 von 5 erhalten wird. Anschließend können Punkte des Plots 504 auf ähnliche Weise für verschiedene Werte von y oder v beschafft werden.
6 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus 600 für eine progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Φ(y) oder Ψ₁(v) gemäß dem breitesten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der Algorithmus 600 beginnt bei Block 602 und schreitet dann zu Block 604 fort, bei dem die vorbestimmten Parameter beschafft werden. Die vorbestimmten Parameter umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf m, L_MAX, r, die vorbestimmte Feder 204 und V₀ (oder U₀, wobei verständlich ist, dass U₀ = V₀/r) oder L. Die Steuerung geht dann zu Block 606 weiter, der Gleichung (4) verwendet, um die unbekannte V₀ oder L zu bestimmen, wo F(L) aus L aus Block 604 mithilfe der bekannten Aufhängungsfederkraft gegen den Auslenkungsplot der vorbestimmten Feder 204, wie zuvor beschrieben, bestimmt wird. Die Steuerung geht dann zu Block 608 weiter, wo die progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Φ(y) mithilfe von Gleichung (3), wie zuvor beschrieben, berechnet und gezeichnet wird. Dann geht die Steuerung zu Block 610 weiter, wo die progressive, optimale, uneingeschränkte Dämpferkraft Ψ₁(v) mithilfe der Gleichungen (5) oder (6), wie zuvor beschrieben, berechnet und gezeichnet wird. Dann geht die Steuerung zu Block 612 weiter, wo der Algorithmus 600 endet.
Wie zuvor erwähnt, beruht in der Praxis eine vorbestimmte Dämpferkraft φ(y) des Dämpfers 206, die unterhalb einer Radmittengeschwindigkeit u₁, ungefähr 2,0 m/s, auf die Radmitte C_w wirkt, auf Fahr- und Handlingüberlegungen für ein gegebenes Fahrzeug oder Fahrzeugmodell, wie es auf dem technischen Gebiet Standard ist, und sollte nicht geändert werden. Die aus Gleichung (3) erhaltene uneingeschränkte, progressive, optimale Dämpferkraft Φ(y), die zuvor beschrieben wurde, benötigt einige Abwandlungen, um eine progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion Ω(y) zu ergeben, wobei die unterhalb einer Radmittengeschwindigkeit u₁, ungefähr 2,0 m/s, auf die Radmitte C_w wirkende vorbestimmte Dämpferkraft φ(y) des Dämpfers 206 nicht geändert wird.
Wenn die auf die Radmitte C_w wirkende Gesamtkraft F(x) + Φ₁(y) eine Konstante ist, die C₁ entspricht, trifft die folgende Bedingung zu: F(x) + Φ₁(y) = C₁ = konstant (7) wodurch eine gleichmäßige, kontinuierliche und monoton steigende, progressive, optimale, eingeschränkte Dämpferkraft Φ₁(y) des Dämpfers 206 als eine Funktion der ursprünglichen Radmittenposition x₀ und der Radmittengeschwindigkeit y ausgedrückt werden kann als:
wobei x(0) = x₀ ≤ L ≤ L_MAXx .(0) = U₀, x .(t₁) = u₂, und y = x .. F(x) in Gleichung (7) ist die Aufhängungsfederkraft der vorbestimmten Feder 204, die auf die Radmitte C_w für eine Federauslenkung x, C₁ ist eine konstante Kraft, die auf die Radmitte wirkt, und u₂ ist eine empirisch bestimmte Geschwindigkeit der Radmitte zum Zeitpunkt t = t₁ > 0, die größer ist als u₁, aber benachbart zu u₁ ist. Als ein Beispiel, wenn u₁ 2,0 m/s beträgt, so kann u₂ 2,69 m/s betragen.
Die Geschwindigkeit u₂ wird empirisch bestimmt, sodass der Übergang von der vorbestimmten Dämpferkraft φ(y) bei einer Geschwindigkeit u₁ zu der progressiven, optimalen, eingeschränkten Dämpferkraft Φ₁(y) bei der Geschwindigkeit u₂ eine durch eine Dämpfungskraft-Übergangsfunktion entwickelte Dämpfungskraft ist. In der Praxis steigt die Dämpfungskraft-Übergangsfunktion gleichmäßig, kontinuierlich und monoton von u₁ bis u₂ an und nähert sich vorzugsweise einer Stufenfunktion. Je näher u₂ an u₁ liegt, umso besser ist die Annäherung an eine Stufenfunktion und umso geringer ist die Gesamtbelastung an der gefederten Masse 202. Allerdings sollte u₂ derart gewählt sein, dass es nicht zu nahe bei u₁ liegt, um eine abrupte Änderung der Dämpfungsfunktion Ω(y) (die später beschrieben wird) zu vermeiden, was wiederum Belastungen an der gefederten Masse 202 für kleinere Schlaglöcher als das Schlagloch, das ein „heftiges Ereignis” ist, erhöhen kann.
Somit besitzt die progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion Ω(y) als eine Funktion der Radmittengeschwindigkeit die folgende Form:
wobei step eine Dämpfungskraft-Übergangsfunktion mit einem gleichmäßigen, kontinuierlichen und monoton steigenden Übergang von φ(y) bei der Geschwindigkeit u₁ zu Φ₁(y) bei der Geschwindigkeit u₂ ist. Praktischerweise wird die Haversine-Stufenfunktion mit einem kubischen Polynom, die auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist, vorzugsweise als die Dämpfungskraft-Übergangsfunktion verwendet.
Eine progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion Ψ(v) als eine Funktion der Dämpfergeschwindigkeit v kann ausgedrückt werden als: Ψ(v) = Ω(y = v/r) / r (10)
Die konstante Gesamtkraft C₁ (oder konstante Beschleunigung C = C₁/m) wird mithilfe der folgenden Prozedur über den Algorithmus 700 von 7A bestimmt, wobei die Bewegungsgleichung der Gleichung (1) numerisch in Verbindung mit Gleichung (9) für ein bestimmtes u₂ gelöst wird, und eine Minimierung der Belastung der gefederten Masse wird für einen Zeitpunkt bestimmt, zu dem x . = 0, was C₁ entspricht.
Bei Block 702 werden die Gleichungen (2) bis (4) verwendet, um F(L) für den Fall einer progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpferkraft zu bestimmen, wie zuvor beschrieben.
Als Nächstes wird bei Block 704 F(L) über einen empirisch bestimmten Bereich variiert, um ein C_1MAX und ein C_1MIN zu beschaffen, wobei F(L) z. B. um plus und minus 10% variiert wird, um C_1MAX = F(L) + 0,1F(L) und C_1MIN = F(L) – 0,1 F(L) zu beschaffen.
Als Nächstes, bei Block 706, wird eine Tabelle der Variation von F(L) des Blocks 704 erzeugt, die aus q Werten besteht, wobei der erste Eintrag als C₁₁ = C_1MAX bezeichnet ist, der letzte Wert als C_1q = C_1MIN bezeichnet ist, ein beliebiger Eintrag als C_1j bezeichnet ist und benachbarte Werte durch einen empirisch bestimmten Betrag, z. B. 50 N, getrennt sind.
Bei Block 708 wird jeder Wert in der Tabelle von Block 706, beginnend mit C₁₁ = C_1MAX und endend mit C_1q = C_1MIN, mit gleich mx .. in Gleichung (1) festgelegt und numerisch mithilfe von Gleichung (1) in Verbindung mit Gleichung (9) gelöst, wobei ein bestimmtes u₂, für die Zeit, zu der x . = 0 oder y = 0 (d. h. y = x .) verwendet wird, wobei die Zeit x der Einfederungslange der Radanordnung entspricht, und F(x) der Belastung an der gefederten Masse 202 bei einem vollständigen Einfedern für diesen Wert entspricht.
In einer ersten auf Block 708 folgenden Alternative wird bei Block 710 der aufgelöste Wert, der einer minimalen Belastung an der gefederten Masse 202 bei einem vollständigen Einfedern entspricht, als C₁ bezeichnet, und die Einfederungslänge x, die für diesen Eintrag bestimmt wird, ist die bestimmte Einfederungslänge L ≤ L_MAX, woraus F(L) aus dem Graphen der Aufhängungsfederkraft F(x) gegen die Federauslenkung x der vorbestimmten Feder 204 (d. h. 3) beschafft werden kann.
In einer zweiten auf Block 708 folgenden Alternative wird bei Block 712 die Belastung an der gefederten Masse 202 bei einem vollständigen Einfedern für jeden Wert in der Tabelle von Block 706, beginnend mit C₁₁ = C_1MAX und endend mit C_1q = C_1MIN, gegen C₁ (oder C, wenn C = C₁/m) aufgetragen, wobei der Punkt an dem Plot, an dem eine minimale Belastung an der gefederten Masse 202 bei einem vollständigen Einfedern auftritt, C₁ bezeichnet und die Einfederungslänge x, die für diesen Eintrag bestimmt wird, die bestimmte Einfederungslänge L ≤ L_MAX ist, woraus F(L) aus dem Graphen der Aufhängungsfederkraft F(x) gegen die Federauslenkung x der vorbestimmten Feder 204 (d. h. 3) beschafft werden kann.
7B zeigt ein Beispiel eines Graphen 740 von beispielhaften Plots gemäß dem Algorithmus von 7A, wobei C = C₁/m und z. B. m = 55,5 kN. Für den Plot 742 befindet sich, wenn u₂ = 2,31 m/s, C₁ an dem Punkt 742a, wo C = 108,1 m/s² und L = 0,080 m. Für den Plot 744 befindet sich, wenn u₂ = 2,69 m/s, C₁ an dem Punkt 744a, wo C = 110,2 m/s² und L = 0,081 m. Für den Plot 746 befindet sich, wenn u₂ = 3,08 m/s, C₁ an dem Punkt 746a, wo C = 113,4 m/s² und L = 0,081 m. Weitere Plots für verschiedene u₂ würden ähnlich berechnet werden.
Bei gegebenem x₀, r, V0 oder U₀ der Radanordnung m und C₁ kann nun die Aufhängungsfederkraft
der vorbestimmten Feder 204 für jedes y ≥ u₂ aus dem Plot der Aufhängungsfederkraft gegen die Auslenkung der vorbestimmten Feder wie z. B. dem Plot von 3 bestimmt werden. Die progressive, optimale, eingeschränkte Dämpferkraft Φ₁(y) kann dann für jedes y ≥ u₂ beschafft werden. Somit kann bei bekanntem φ(y), der step-Dämpfungskraft-Übergangsfunktion und der progressiven, optimalen, eingeschränkten Dämpferkraft Φ₁(y) dann die progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion Ω(y) als eine Funktion der Radmittengeschwindigkeit y von Gleichung (9) für jedes beliebige y beschafft werden, wobei 0 ≤ y ≤ U₀, wodurch die progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion Ψ(v) als eine Funktion der Dämpfergeschwindigkeit v von Gleichung (10) für jedes beliebige v beschafft werden kann, wobei 0 ≤ v ≤ V₀.
7C ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus 750 für eine progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion Ω(y) gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der Algorithmus 750 beginnt bei Block 752 und schreitet dann zu Block 754 weiter, wo die vorbestimmten Parameter beschafft werden. Die vorbestimmten Parameter umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf die Masse m der Radanordnung 216, L_MAX, r, die vorbestimmte Feder 204, U₀ oder V₀, die step-Dämpfungskraft-Übergangsfunktion φ(y), u₁ und x₀.
Die Steuerung geht dann zu Block 756 weiter, wo C₁ und u₂ bestimmt werden wie zuvor beschrieben. Dann geht die Steuerung zu Block 758 weiter, wo die progressive, optimale, eingeschränkte Dämpferkraft Φ₁(y) als eine Funktion der Radmittengeschwindigkeit berechnet wird, wie zuvor beschrieben, und die progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion Ω(y) als eine Funktion der Radmittengeschwindigkeit aus Gleichung 9 berechnet wird. Dann geht die Steuerung zu Block 760 weiter, wo die progressive, optimale, eingeschränkte Dämpfungsfunktion Ψ(v) als eine Funktion der Dämpfergeschwindigkeit aus Gleichung (10) bestimmt wird. Dann geht die Steuerung zu Block 762 weiter, wo der Algorithmus 750 endet.
8 ist ein Graph 800 der Dämpferkraft gegen die Dämpfergeschwindigkeit für das repräsentative Kraftfahrzeug von 3, der einen ersten Plot 802 einer Dämpfung für einen herkömmlichen passiven Dämpfer und einen zweiten Plot 804 einer progressiven, optimalen, eingeschränkten Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In 8 ist m = 55,5 kg, r = 0,65, C₁ = F(L) = 6116 N, C = 110,2 m/s², L = 0,081 m, v₁ = 1,3 m/s, v₂ = 1,75 m/s und V₀ = 2,7 m/s. Die vorbestimmte Dämpferkraft φ(y) ist durch den Plot-Abschnitt 806 des Plots 802 bezeichnet, der sich von dem Ursprungspunkt 808 bis zu dem Punkt 810 erstreckt, bei dem die Dämpfergeschwindigkeit v₁ 1,3 m/s beträgt und die Radmittengeschwindigkeit u₁ 1,3/0,65 = 2,0 m/s beträgt. Der vierte Plot 814 ist die step-Übergangsfunktion von Gleichung (9) von dem Punkt 810 zu dem Punkt 812, bei dem die Dämpfergeschwindigkeit v₂ 1,75 m/s beträgt und die Radmittengeschwindigkeit u₂ 1,75/0,65 = 2,69 m/s beträgt. Die Geschwindigkeit u₂ wird bestimmt, wie zuvor beschrieben. Die zuvor beschriebene Harvesine-Stufenfunktion mit einem kubischen Polynom wird als die Übergangsfunktion von dem Punkt 810 zu dem Punkt 812 verwendet.
9 ist ein Graph 900 der Zeit gegen die Aufhängungsgesamtbelastung für das repräsentative Kraftfahrzeug von 3, der einen ersten Plot 902 einer simulierten Aufhängungsbelastung mit einer herkömmlichen passiven Dämpfung; einen zweiten Plot 904 einer simulierten Aufhängungsbelastung mit einer progressiven, optimalen, eingeschränkten Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung; und einen dritten Plot 906 einer simulierten Aufhängungsbelastung mit einer progressiven, optimalen, uneingeschränkten Dämpfung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Punkt 908 zeigt die experimentelle Spitzenaufhängungsgesamtbelastung bei Verwendung eines herkömmlichen Dämpfers nach dem Stand der Technik. Der Punkt 910 zeigt die experimentelle Spitzenaufhängungsgesamtbelastung unter Verwendung der progressiven, optimalen, eingeschränkten Dämpfung von Gleichung (9) gemäß der vorliegenden Erfindung.
So wie hierin verwendet, soll der Ausdruck „konstante Gesamtkraft”, so wie auf die Kraft angewendet, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kollektiv durch die Feder und den Dämpfer bereitgestellt wird, die während eines Einfederns auf die Radanordnung wirken, eine Kraft allgemein benachbart zu einer konstanten einschließlich einer exakt konstanten, d. h. eine im Wesentlichen oder tatsächlich konstante, bedeuten.
Die vorliegende Erfindung kann durch jede geeigneten Dämpfer realisiert sein wie z. B. rein beispielhaft und nicht einschränkend den in dem US-Patent 5 706 919 an Kruckemeyer et al, ausgestellt am 13. Januar 1998 an den Antragsteller desselben offenbarten Dämpfer, wobei der Offenbarungsgehalt dieses Patents hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Synthese einer nichtlinearen Einfederungsdämpfungskurve ermöglicht, um das Aufhängungsverhalten beim Fahren über Straßen, die maximale Radauslenkungen erzeugen, wirksamer zu steuern und gleichzeitig eine gute Fahrqualität auf normalen Straßen aufrechtzuerhalten. Vorteilhafterweise sieht die vorliegende Erfindung vor: 1) eine progressive Dämpfung (durch Simulation und Fahrzeugtests) als ein wirksames Verfahren zur Reduktion der strukturellen Belastung und des Radfederweges bei Rad-Hochgeschwindigkeitsereignissen (wie z. B. Schlaglöchern); 2) eine maßgeschneiderte Anpassung für jedes Rad-Hochgeschwindigkeitsereignis kann abhängig von der Spitzengeschwindigkeit eine verschiedene optimale Kurve besitzen, und die optimale Dämpfungskurve für ein Ereignis kann zu einer erhöhten Belastung für andere Ereignisse führen; 3) ein analytischer Ansatz, der auf dem mechanischen System mit einem nichtlinearen Freiheitsgrad beruht, kann verwendet werden, um die optimale Einfederungsdämpfungskurve zu erzeugen, die anschließend für die Fahrzeugproduktion abgestimmt werden kann; und 4) eine individuelle optimale Dämpfungskurve (für eine spezifische Anfangsgeschwindigkeit), die in einer halbaktiven Aufhängung mit Aufhängungsauslenkungs/geschwindigkeitssensoren verwendet werden kann.

Claims

Verfahren zum Optimieren der Dämpfung eines Aufhängungssystems während eines Einfederungsereignisses, wobei das Aufhängungssystem eine Radanordnung, eine Feder und einen Dämpfer umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: ein Plot einer Auslenkung der Radanordnung gegen die Aufhängungsfederkraft der Feder bestimmt wird; eine Radanordnungsmasse m bestimmt wird; eine Federweglänge L der Radanordnung relativ zu einer vorgegebenen Soll-Bodenfreiheit in Ansprechen auf eine vorgegebene anfängliche Radanordnungsgeschwindigkeit U₀ oder eine anfänglichen Radgeschwindigkeit U₀ in Ansprechen auf eine vorgegebene Federweglänge L der Radanordnung bestimmt wird; und der Dämpfer verstellt wird, sodass eine Kraft, die durch den Dämpfer geliefert wird, und eine Kraft, die durch die Feder geliefert wird, in Ansprechen auf den Plot kollektiv eine konstante Gesamtkraft F(L) an der Radanordnung bereitstellen, die einem Einfederungsereignis der Radanordnung innerhalb der Federweglänge L entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferkraft als Φ(y) definiert ist und die Aufhängungsfederkraft als F(x) =
definiert ist, und wobei für jede Radanordnungsgeschwindigkeit y, wobei 0 ≤ y ≤ U₀, die Parameter durch
und
in Beziehung stehen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferkraft eine gleichmäßige, kontinuierliche und monoton steigende Dämpferkraft ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Dämpferkraft als Ψ₁(v) definiert ist, die Aufhängungsfederkraft als F(x) definiert ist, und eine anfängliche Dämpfergeschwindigkeit V₀ durch U₀ = V₀/r definiert ist, wobei r ein vorgegebenes Verhältnis ist, sodass y = v/r, wobei y eine Geschwindigkeit der Radanordnung relativ zu der vorgegebenen Soll-Bodenfreiheit ist und v eine Geschwindigkeit des Dämpfers; und wobei
und wobei für jede Dämpfergeschwindigkeit v, wobei 0 ≤ v ≤ V₀, die Parameter durch:
und
in Beziehung stehen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpferkraft eine gleichmäßige, kontinuierliche und monoton steigende Dämpferkraft ist.
Verfahren zum Optimieren der Dämpfung eines Aufhängungssystems während eines Einfederungsereignisses, wobei das Aufhängungssystem eine Radanordnung, eine Feder und einen Dämpfer umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: ein erster Plot einer Auslenkung der Radanordnung gegen die Aufhängungsfederkraft der Feder bestimmt wird; eine Federweglänge L der Radanordnung relativ zu einer vorgegebenen Soll-Bodenfreiheit in Ansprechen auf eine vorbestimmte anfängliche Radanordnungsgeschwindigkeit U₀ bestimmt wird; ein zweiter Plot einer bevorzugten Dämpferkraft bestimmt wird, wobei der zweite Plot zumindest bis zu einer vorgegebenen ersten Radanordnungsgeschwindigkeit die Geschwindigkeit umfasst, die mit der vorgegebenen Soll-Bodenfreiheit in einem Bezug steht; in Ansprechen auf den zweiten Plot für Radanordnungsgeschwindigkeiten, allgemein bis zu der ersten Radanordnungsgeschwindigkeit eine erste Dämpferkraft aufgebracht wird, die dem Einfederungsereignis entgegengesetzt ist; der Dämpfer verstellt wird, um eine zweite Dämpferkraft bereitzustellen, die dem Einfederungsereignis entgegengesetzt ist, sodass für Radanordnungsgeschwindigkeiten über einer zweiten Radanordnungsgeschwindigkeit, wobei die zweite Radanordnungsgeschwindigkeit größer ist als die erste Radanordnungsgeschwindigkeit, die zweite Dämpferkraft, die durch den Dämpfer geliefert wird, und die Kraft, die durch die Feder geliefert wird, in Ansprechen auf den ersten Plot kollektiv eine konstante Gesamtkraft C₁ an die Radanordnung bereitstellen, die dem Einfederungsereignis der Radanordnung entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Radanordnungsgeschwindigkeit als u₁ definiert ist und die zweite Radgeschwindigkeit als u₂ definiert ist, wobei u₂ > u₁ und wobei die zweite Dämpferkraft als Φ₁(y) definiert ist und die Aufhängungsfederkraft als F(x) definiert ist, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst, dass: die Masse m der Radanordnung; die anfängliche Geschwindigkeit U₀; und die Position x₀ der Radanordnung relativ zu der vorgegebenen Soll-Bodenfreiheit bei U₀ bestimmt werden; wobei
und wobei für jede Radanordnungsgeschwindigkeit y relativ zu der vorgegebenen Soll-Bodenfreiheit, wobei y ≥ u₂, die Parameter durch:
in Beziehung stehen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass u₁ gleich 2,0 m/s ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein gleichmäßiger und kontinuierlicher Dämpfungskraftübergang zwischen der ersten Dämpferkraft bei der ersten Radanordnungsgeschwindigkeit u₁ und der zweiten Dämpferkraft bei der zweiten Radanordnungsgeschwindigkeit u₂ vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfunktion des Dämpfers definiert ist als Ω(y) und die Form besitzt:
wobei step eine Dämpfungskraft-Übergangsfunktion ist, die einen gleichmäßigen und kontinuierlichen Übergang von φ(y) bei der Geschwindigkeit u₁ zu Φ₁(y) bei der Geschwindigkeit u₂ aufweist; und wobei für ein vorgegebenes Verhältnis r, so dass y = v/r, wobei v eine Geschwindigkeit des Dämpfers ist, eine Dämpfungsfunktion Ψ(v) als eine Funktion der Dämpfergeschwindigkeit v durch die Relation Ψ(v) = Ω(y = v/r) / r gegeben ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass u₁ gleich 2,0 m/s ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass step eine Haversine-Stufenfunktion mit einem kubischen Polynom ist.