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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung eines Feder-Dämpfer-Masse-Systems,
insbesondere eines Schwingungsdämpfers mit einem Anschlusslager
gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus
der
DE 196 42 827
A1 ist ein konventioneller Schwingungsdämpfer
bekannt, dessen Anschlusslager über einen Piezo-Aktuator
einstellbar ist. Ein verstellbares Anschlusslager bietet die Möglichkeit,
den Abrollkomfort zu verbessern. Anders als bei der verstellbaren
Lagerung von Antriebsmotoren haben sich verstellbare Anschlusslager
bisher nicht durchsetzen können. Vielmehr wird weiterhin
an der Verstellbarkeit der Dämpfventile im Schwingungsdämpfer
gefeilt. Bei einem verstellbaren Schwin gungsdämpfer, wie
er beispielsweise aus der
DE
196 24 898 C2 bekannt, versuchte man weichste Dämpfkraftkennlinie
mit dem Ziel des maximalen Komforts, stark abzusenken. Trotzdem
werden die Dämpfkräfte auf den Fahrzeugaufbau übertragen und
komfortmindernd empfunden.
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Um
generell die bei Schwingungsdämpfern auftretenden Geräusche
zu minimieren, musste man bei der Dämpfventileinstellung Änderungen
vornehmen, die den Fahrkomfort wieder negativ beeinflusst haben.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Fahrzeugkomfort
bei einem Fahrwerk zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Stützkraft
des Anschlusslagers in einem infinitesimalen Bereich ausgehend von
zumindest einem definierten Geschwindigkeits-Dämpfkraft-Betriebspunkt
des Schwingungsdämpfers bei einer Geschwindigkeitsänderung
in einem Kräftegleichgewicht zur momentanen Dämpfkraft
des Schwingungsdämpfers steht.
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Umfangreiche
Versuche haben ergeben, dass ein nach diesem Verfahren abgestimmte
Stützkraft des Anschlusslagers zur Dämpfkraft
des Schwingungsdämpfers die Eigenschwingung der Kolbenstange
des Schwingungsdämpfers deutlich reduziert und damit das
beschriebene Akustikproblem gelöst wird, ohne dass man
an der Dämpfventilkennlinie Maßnahmen ergreifen
muss. Der Betriebspunkt ist nicht als ein Einzelwert anzusehen,
sondern als eine engerer Kennlinienbereich.
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Der
Zeitbereich der relevanten Geschwindigkeitsänderung beträgt
mindesten t = 1/(2πΩ), wobei Ω = √(c/m)
entspricht mit C = Federkonstante des Anschlusslagers und m = Masse
der Kolbenstange des Schwingungsdämpfers.
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Eine
Möglichkeit zur Umsetzung besteht darin, dass das Anschlusslager
in seiner Stützkraft auf die Dämpfkraft des Schwingungsdämpfers
eingestellt wird. Es geht nicht mehr nur nach Fahrdynamikvorgaben, sondern
das Anschlusslager kann gezielt zur Geräuschminimierung
optimiert werden.
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Einen
besonders wirksamen Effekt kann dann erzielt werden, wenn der Schwingungsdämpfer
in seiner Dämpfkraft auf die Stützkraft des Anschlusslagers
eingestellt wird. Auch bei einem verstellbaren Anschlusslager sind
Grenzen hinsichtlich der Verstellbarkeit gegeben. Durch eine Abstimmung
beider verstellbarer Aggregate kann ein optimales Geräuschergebnis
erreicht werden.
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Die
Versuche haben weiter gezeigt, dass es für die Geräuschentwicklung
neuralgische Betriebszustände gibt, die hinsichtlich der
Geräuschentwicklung im Fahrzeug besonders kritisch sind.
Um das Anschlusslager und/oder den Schwingungsdämpfer nicht
auf die gesamte Geschwindigkeits-Dämpfkraftkennlinie hin
optimieren zu müssen, betrachtet man von der Geschwindigkeits-Dämpfkraft-Kennlinie
des Schwingungsdämpfers eine Bewegungsrichtung der Kolbenstange,
die mindestens zwei Kennliniebereiche aufweist und deren Steigungen
sich unterscheiden, bevorzugt die Bereiche, wo ein definierter Betriebspunkt
am Übergang zwischen den mindestens zwei Kennlinienbereichen
liegt. Wenn man die Kräftegleichgewichtsbedingung an diesen Über gangspunkten
erfüllt, dann wirken sich Abweichungen innerhalb der Kennliniebereiche
zwischen zwei Übergangspunkten nicht so deutlich aus. Es
ist anzustreben, dass die Steigungen der Geschwindigkeits-Dämpfkraftkennlinie
beiderseits des betrachteten Betriebspunkts einander angeglichen
werden.
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Um
diese Betriebspunkte insbesondere bei einem stufenlos verstellbaren
Schwingungsdämpfer leicht identifizieren zu können,
wird der Betrag der Steigerungsänderung der Geschwindigkeits-Dämpfkraft-Kennlinie
des verstellbaren Schwingungsdämpfers erfasst und dabei
festgestellt, dass oberhalb eines Schwellwerts der Steigerungsänderung
ein Betriebspunkt vorliegt.
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Ein
besonders vorteilhaftes Verhalten des Feder-Masse-Dämpfersystems
wird dann erreicht, wenn der Quotient aus dem Verhältnis
Stützkraft des Anschlusslagers/Auslenkung des Anschlusslagers
und dem Verhältnis Dämpfkraft/Einfederungsgeschwindigkeit
des Schwingungsdämpfers konstant ist.
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Bei
dem Verfahren wird berücksichtigt, dass die Geschwindigkeits-Dämpfkraft-Kennlinie
des Schwingungsdämpfers bezogen auf den Ursprung der Kennlinie
in Zug- und Druckrichtung der Kolbenstange unsymmetrisch ausgeführt
ist.
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Ein
weiterer kritischer Betriebspunkt ist der Übergang von
einer Bewegungsrichtung des Schwingungsdämpfers in die
andere, bei der die Stützkraft des Anschlusslagers ein
Minimum betragen soll.
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Anhand
der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher
erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1 Ersatzschaubild
eines Feder-Dämpfer-Masse-Systems
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2 Darstellung
eines Fahrwerks mit verstellbaren Anschlusslagern und verstellbaren
Schwingungsdämpfern
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3 Schwingungsdämpfer
als Einzelteil
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4a;
b Betriebskennlinien eines verstellbaren Anschlusslagers und des
verstellbaren Schwingungsdämpfers
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Die 1 beschränkt
sich auf ein Ersatzschaubbild eines Feder-Dämpfer-Masse-Systems.
Eine erste Masse m1 ist über ein
Anschlusslager 21 mit einer zweiten Masse m2 verbunden.
Das Anschlusslager ist hinsichtlich seiner Stützkräfte
einstellbar. Zwischen einem Schwingungsdämpfer 3 und
dem Anschlusslager 21 ist eine zweite Masse mK angeordnet.
Der Schwingungsdämpfer 3 selbst wird einer Anregung
ausgesetzt, in diesem Fall über ein weiteres Anschlusslager 23,
und ist bevorzugt ebenfalls bzgl. seiner Dämpfkraft verstellbar. Die
erste Masse m1 und die zweite Masse mK können sich rotatorisch oder translatorisch
zueinander bewegen.
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Die 2 zeigt
eine konkrete Anwendung eines Feder-Dämpfer-Masse-Systems
schematisch am Beispiel eines Kraftfahrzeugs 1 mit Schwingungsdämpfern 3 zwi schen
einem Fahrzeugaufbau 5 als erste Masse m1 und
Rädern 7 mit nicht dargestellten beweglichen Achsteilen.
Während der Fahrt wird das Rad 7 in Abhängigkeit
einer nicht dargestellten Fahrbahnoberfläche zu dem Fahrzeugaufbau 5 in
eine Schwingbewegung versetzt. Eine zwischen dem Rad 7 und
dem Fahrzeugaufbau 5 eine angeordnete Feder 9 hat
die Aufgabe, die auftretenden Stöße auszugleichen
und das Rad 7 sicher auf der Fahrbahnoberfläche
zu halten. Die Bedämpfung der Bewegung übernimmt
jeweils der Schwingungsdämpfer 3. Bei der Schwingbewegung
auftretende Kräfte stützen sich am Fahrzeugaufbau 5 ab,
der mit seinen Hohlräumen, beispielsweise den Innenkotflügeln,
große Resonanzräume bildet, die die gedämpften
Schwingbewegungen des Fahrzeugeinzelteils zu einem Geräusch
werden lassen. Angrenzende Bauteile leiten dann das Geräusch
in den Fahrgastraum. Eine Sensorik 11 erfasst die Schwingbewegung
zumindest des Fahrzeugaufbaus und stellt einem Regler 13 ein Schwingungssignal
zur Verfügung. Vom Regler 13 führen Leitungen 15 mit
Stellenergie zu den Schwingungsdämpfern 3.
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Die
3 zeigt
den Schwingungsdämpfer
3 als Einzelteil, der einen
Zylinder
17 umfasst, in dem eine Kolbenstange
19 als
weitere Masse m
K axialbeweglich angeordnet
ist. Der Zylinder
17 und die Kolbenstange
19 verfügen über
die Anschlusslager
21;
23 für den Fahrzeugaufbau
5 sowie
zum Rad
7 bzw. zu den Achsteilen. Das fahrzeugaufbauseitige
Anschlusslager
21 ist in seiner Federrate und Dämpfung
verstellbar ausgeführt. Auch der Schwingungsdämpfer
3 ist
hinsichtlich seiner Dämpfkraft einstellbar ausgeführt.
Am Zylinder
17 ist beispielsweise ein Gehäuse
25 angeordnet,
in dem mindestens ein verstellbares Dämpfventil beliebiger Bauweise
die Dämpfkraft für mindestens eine Bewegungsrichtung
der Kolbenstange
19 beeinflusst. Die genaue kon struktive
Ausgestaltung des verstellbaren Dämpfventils ist für
die Erfindung untergeordnet. Beispielhaft wird auf die
DE 196 24 898 C2 verwiesen.
Alternativ kann das mindestens eine verstellbare Dämpfkraftventil
auch an einer anderen Stelle angeordnet sein, beispielsweise im
Bereich eines Kolbens
27, eines Bodenventils
29 oder
einer Kolbenstangenführung
31. Dem Fachmann sind
geläufige Konstruktionen bekannt.
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Die
Stellsignale für die verstellbaren Schwingungsdämpfer 3 und
dem jeweiligen verstellbaren Anschlusslager 21 werden vom
Regler 13 auf der Basis der gemeinsamen Sensorik 11 erzeugt.
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Die
Figurenfolge 4a; 4b zeigt Betriebskennlinien des
verstellbaren Anschlusslagers und des verstellbaren Schwingungsdämpfers.
In der 4a ist die Anschlaglagerfederkraft
als Funktion des Federwegs ausgerichtet zur Auslenkung 0[m], d.
h. unbelastete Ausgangsstellung, dargestellt. Entsprechend zeigt
die 4b eine von vielen Dämpfkraftkennlinien
des Schwingungsdämpfers 3 bezogen auf die Hubgeschwindigkeit.
Generell ist die Erfindung jedoch auch bei einem nicht verstellbaren
Schwingungsdämpfer anwendbar.
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Im
positiven Geschwindigkeitsbereich sind die so genannten Zugkräfte
aufgetragen, bei der die Kolbenstange 19 des Schwingungsdämpfers 3 aus
dem Zylinder 17 ausfährt. Der negative Geschwindigkeitsbereich
zeigt den Dämpfkraftverlauf bei in den Zylinder 17 einfahrender
Kolbenstange 19, der Druckrichtung. Das Kräfteverhältnis
zwischen den Zugkräften/Druckkräften bei vergleichbarer
Kolbenstangenbewegung liegt für einen PKW bei ca. 3 bis
4:1.
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Ein
Vergleich der drei Kennlinien der Figurenfolge 4a, 4b zeigt
den Grundgedanken der Erfindung.
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Die
Kräfte des Anschlusslagers 21, 4a,
stehen zumindest für einen definierten Geschwindigkeits-Dämpfkraft-Betriebspunkt
des Schwingungsdämpfers 3 in einem Kräftegleichgewicht
zur momentanen Dämpfkraft des Schwingungsdämpfers 3.
Allein aus der bildlichen Darstellung der Betriebskennlinien ist
erkennbar, dass alle Kennlinien denselben qualitativen Verlauf aufweisen.
Die Kräfte des Anschlusslagers 21 gemäß der 4a wirken
als Reaktionskraft der Dämpfkraft des Schwingungsdämpfers 3 nach 4b entgegengesetzt
gerichtet.
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Die
Dämpfkraftkennlinie des Schwingungsdämpfers 3 ist
nicht einfach linear, sondern weist für eine Bewegungsrichtung
der Kolbenstange 19 mindestens zwei Kennliniebereiche I;
II; III aufweist, deren Steigungen α1; α2; α3 sich
unterscheiden, wobei ein definierter Betriebspunkt B1;
B2 am Übergang zwischen den mindestens
zwei Kennlinienbereichen I; II liegt. Wenn man aus technischen Gründen
nicht in der Lage ist, ein ideales Kräftegleichgewicht
zwischen dem Anschlusslager 21 und dem verstellbaren Schwingungsdämpfer 3 zu erreichen,
dann ist es dass Ziel zumindest in den besagten Betriebspunkten
B1; B2; B3 zwischen zwei Kennlinienbereichen I; II
oder III unterschiedlicher Steigung α1; α2; α3 ein
Kräftegleichgewicht herzustellen.
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Man
kann Dämpfkräfte unmittelbar messen, wenn man
z. B. einen Drucksensor im Schwingungsdämpfer vorsieht.
Eine einfachere Möglichkeit besteht darin, z. B. die Stellenergie
für ein verstellbares Dämpfventil in Verbindung
mit einer Einfederungsgeschwindigkeit einer Dämpfkraft
zu zuordnen und in einer Tabellenfunktion im Regler 13 abzulegen.
Diese Tabelle kann z. b. durch Simulation ermittelt werden. Wenn
man während der Fahrt bzw. während des Federungsvorgangs
den Betrag der Steigerungsänderung, z. B. α1/α2 der Geschwindigkeits-Dämpfkraft-Kennlinie
des verstellbaren Schwingungsdämpfers 3 erfasst
und mit einem Schwellwert vergleicht, dann kann man davon ausgehen,
dass oberhalb des Schwellwerts der Steigerungsänderung α1/α2 der
Betriebspunkt B1 vorliegt. In diesem Betriebspunkt
sollte dann das besagte Kräftegleichgewicht eingestellt
sein. Wenn man das Verfahren auf die besagten Betriebspunkte B1; B2; B3 konzentriert,
dann kann man bei der Verstellgeschwindigkeit des Anschlusslagers 21 die
Anforderungen zurücknehmen und eine entsprechend einfachere
Ausführung wählen.
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Das
Optimum wird dann erreicht, wenn der Quotient aus dem Verhältnis
Stützkraft des Anschlusslagers 21/Auslenkung (Weg)
des Anschlusslagers 21 und dem Verhältnis Dämpfkraft/Geschwindigkeit
des Schwingungsdämpfers 3 über die gesamte
Kennlinien beider Aggregate konstant ist, wobei die Geschwindigkeit
als Relativgeschwindigkeit der Kolbenstange zum Zylinder des Schwingungsdämpfers
anzusehen ist.
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Wie
weiter aus den 4a, 4b ersichtlich
ist, soll die Stützkraft des Anschlusslagers 21 im
Bewegungsumkehrpunkt des Schwingungsdämpfers 3 zwischen
der Zug- und Druckrichtung ein Minimum betragen. Der Bewegungsumkehrpunkt
ist vergleichsweise einfach sensierbar, z. B. über einen
Relativwegsensor zwischen der Fahrzeugachse und dem Fahrzeugaufbau.
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 3
- Schwingungsdämpfer
- 5
- Fahrzeugaufbau
- 7
- Rad
- 9
- Feder
- 11
- Sensorik
- 13
- Regler
- 15
- Leitungen
- 17
- Zylinder
- 19
- Kolbenstange
- 21;
23
- Anschlusslager
- 25
- Gehäuse
- 27
- Kolben
- 29
- Bodenventil
- 31
- Kolbenstangenführung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19642827
A1 [0002]
- - DE 19624898 C2 [0002, 0023]
