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Die
Erfindung betrifft ein Wankstabilisierungssystem für ein
Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Wankstabilisierungssysteme
werden in Fahrzeugen verwendet, um eine seitliche Stabilität
des Fahrzeugs beispielsweise bei Kurvenfahrtmanövern zu
verbessern. Eine typische Art von passivem Wankstabilisierungssystem
enthält einen mit einer Achse eines Fahrzeugs assoziierten
Querstabilisator. Der Querstabilisator verhindert ein übermäßiges seitliches
Rollen bzw. Wanken beim Fahrzeugbetrieb. Um die Leistung und die
Handhabung von Fahrzeugen zu verbessern, sind in Verbindung mit Querstabilisatoren
halbaktive und aktive Wankstabilisierungssysteme im Einsatz.
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In
der
DE 10 2008
028 676 A1 ist ein Rollsteuersystem beschrieben, das erste
und zweite Dämpfer jeweils mit einem Fluid enthält.
Eine Pumpe verbindet die ersten und zweiten Dämpferfluide
miteinander. Ein Motor ist mit der Pumpe verbunden. Ein Controller
steht in Kommunikation mit dem Motor. Der Controller ist konfiguriert,
den Motor zu befehlen, die Pumpe anzutreiben und Fluid als Reaktion
auf ein Rollsignal in einer gewünschten Richtung zwischen den
ersten und zweiten Aktuatoren zu transferieren. Die Pumpe liefert
Fluid von einem der ersten und zweiten Dämpfer an den anderen
der ersten und zweiten Dämpfer als Reaktion auf den Antrieb
durch den Motor. Das Rollsteuersystem kann an Vorder- und Hinterachsen
verwendet werden, um eine verbesserte Gesamtstabilität
für das Fahrzeug bereitzustellen. Bei einem Beispiel wird
ein üblicher Motor zum Antreiben erster und zweiter Pumpen
verwendet, die jeweils mit der Vorder- und Hinterachse assoziiert
sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem
Stand der Technik verbessertes Wankstabilisierungssystem für
ein Fahrzeug anzugeben.
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Hinsichtlich
des Wankstabilisierungssystems wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim
erfindungsgemäßen Wankstabilisierungssystem für
ein Fahrzeug, welches zumindest eine Steuereinheit, einen hydraulischen
Dämpfer, insbesondere Stoßdämpfer pro
Fahrzeugrad und eine Motor-Pumpe-Einheit umfasst, welche hydraulisch
mit einem rechten und einem linken Dämpfer zumindest einer
Fahrzeugachse verbunden ist, sind die Hydraulikräume des
rechten und des linken Dämpfers einer Fahrzeugachse mittels
eines Leitungsnetzes und zusätzlich mittels einer Verbindungsleitung
hydraulisch miteinander gekoppelt.
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Mittels
der zusätzlichen Verbindungsleitung in Art einer Rückleitung
ist ein geschlossener Kreislauf ermöglicht. Insbesondere
durch die achsweise Verschaltung von Dämpfer-Hydraulikräumen
und Kopplung der Volumenströme mittels des Leitungsnetzes
mit der Motor-Pumpe-Einheit ist ein einfaches und kostengünstiges
Wankstabilisierungssystem insbesondere für Fahrzeuge mit
einem hohen Schwerpunkt, wie beispielsweise Geländewagen
oder Kleintransporter, realisiert.
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In
einer möglichen Ausführungsform der Erfindung
ist eine Horizontierung des Fahrzeugs, also eine Eliminierung und/oder
Reduzierung des so genannten Rollens einer Fahrzeugkarosserie um
eine Wankachse, insbesondere das Rollen um die Fahrzeuglängsachse,
ermöglicht.
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In
einer besonders günstigen Ausführungsform kann
ein Stabilisator an jeder Fahrzeugachse entfallen, wobei durch den
Entfall des Stabilisators der Geradeaus-Fahrkomfort erhöht
wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine besonders
einfache Ansteuerung des Wankstabilisierungssystems mittels der
Antriebs- und/oder Steuereinheit eines Fahrerassistenzsystems, beispielsweise
eines elektronischen Stabilisierungssystems, ermöglicht.
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Besonders
vorteilhaft ist die freie Abstimmbarkeit und/oder Vorgebbarkeit
von Sollwerten für die Wankrückstellung und -dämpfung
des Fahrzeugs.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand
einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen
Wankstabilisierungssystems für ein Fahrzeug,
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2 ein
schematisches Kraft-Geschwindigkeits-Diagramm eines Dämpfers
mit Motor-Pumpe-Einheit.
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Einander
entsprechende Teile sind in der Figur mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In
der 1 ist eine schematische Blockdarstellung eines
erfindungsgemäßen Wankstabilisierungssystems 1 für
ein Fahrzeug abgebildet.
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Das
Wankstabilisierungssystem 1 umfasst zumindest einen Dämpfer 2 für
jedes Fahrzeugrad, eine Motor-Pumpe-Einheit 3 und ein mehrere
hydraulische Leitungen umfassendes Leitungsnetz 4.
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Die
Dämpfer 2 sind mit einem Ende an einer nicht dargestellten
Radaufhängung, welche ein nicht dargestelltes Fahrzeugrad
mit dem Fahrzeug verbindet, drehbar lagert und führt, und
mit dem anderen Ende an einer nicht dargestellten Fahrzeugkarosserie
befestigt.
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Die
Dämpfer 2 sind vorzugsweise als herkömmliche
hydraulische Stoßdämpfer ausgebildet. Herkömmliche
hydraulische Dämpfer 2 in Fahrzeugen bestehen
im Wesentlichen aus einem an einer Kolbenstange 5 in einem ölbefüllten
Zylinder 6 geführten Kolben 7. Bei axialer
Bewegung der Kolbenstange 5, welche mit der Radaufhängung
verbunden ist, und damit des Kolbens 7 gegenüber
dem Zylinder 6, muss das Öl durch enge Kanäle
und Ventile im Kolben 7 strömen. Durch den Widerstand,
der dem Öl dabei entgegengebracht wird, wird das Öl
erwärmt. Dadurch wird die Dämpfungswirkung aufgrund
sinkender Viskosität des Öls verringert. Um den Temperaturanstieg
zu begrenzen, muss der Dämpfer 2 die Wärme
an die Umgebungsluft abgeben können.
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Mit
dem Dämpfer 2 ist ein Ausgleichsbehälter 8 hydraulisch,
beispielsweise mittels des Leitungsnetzes 4 verbunden.
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In
einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform
kann der Ausgleichsbehälter 8 in den Dämpfer 2 integriert
sein und eine bauliche Einheit bilden.
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Eine
Dämpfungseinheit 9, welche beispielsweise Steuerventile
und -kanäle umfasst, ist mit einer ersten und einer zweiten
Kammer 10.1 und 10.2 des Dämpfers 2 hydraulisch
verbunden. In Einbaurichtung des Dämpfers 2 gesehen,
ist die erste Kammer 10.1 oberhalb des Kolbens 7 im
Zylinder 6 angeordnet und die zweite Kammer 10.2 unterhalb
des Kolbens 7 im Zylinder 6 angeordnet.
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In
einer möglichen Ausführungsform ist die Dämpfungseinheit 9 elektrisch
oder elektromechanisch mit steuer- und/oder regelbaren Ventilen 13 ausgerüstet
und elektrisch mit einer Steuereinheit 11 verbunden.
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In
einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform
kann die Dämpfungseinheit 9 in den Dämpfer 2,
insbesondere in den Kolben 7 integriert sein und eine bauliche
Einheit bilden.
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In
einer besonders vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungsform
kann der Dämpfer 2 mit einer Feder und einem Radträger
eine bauliche Einheit, auch als Federbein bezeichnet, bilden.
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Die
Hydraulikräume eines in Fahrtrichtung rechts angeordneten
Dämpfers 2 und eines in Fahrtrichtung links angeordneten
weiteren Dämpfers 2 einer Fahrzeugachse sind hydraulisch
mittels des Leitungsnetzes 4 verbunden. An dieses Leitungsnetz 4 ist
die Motor-Pumpe-Einheit 3 hydraulisch angeschlossen. Als
Hydraulikraum des jeweiligen Dämpfers 2 werden
alle Teile des Dämpfers 2 bezeichnet, welche mit
einem von der Motor-Pumpe-Einheit 3 erzeugbaren Öldruck
beaufschlagbar sind, beispielsweise der Zylinder 6, die
Dämpfungseinheit 9, die zweite und/oder die erste
Kammer 10.2 und 10.1.
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In
einer möglichen Ausführungsform können in
dem Leitungsnetz 4 mindestens ein oder mehrere, insbesondere
zwei Ventile 13 angeordnet werden. Diese Ventile 13 können elektrisch
mit der Steuereinheit 11 verbunden sein. Ferner sind die
Ventile 13 elektrisch oder elektromechanisch steuer- und/oder regelbar.
Die Ventile 13 sind beispielsweise als herkömmliche
Absperr- oder Umschaltventile ausgebildet.
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Ferner
ist es denkbar, dass in dem Leitungsnetz 4 mehrere Ventile 13 so
angeordnet sind, dass diese einen hydraulischen Gleichrichter (Widstonebrücke)
bilden, wodurch die Fließrichtung des Ölstroms
unabhängig von der Förderrichtung der Motor-Pumpe-Einheit 3 in
eine Richtung verläuft.
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Die
Motor-Pumpe-Einheit 3 ist elektrisch mit der Steuereinheit 11 verbunden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Motor-Pumpe-Einheit 3 als
Antriebseinheit eines Fahrerassistenzsystems ausgebildet.
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Die
Steuereinheit 11 ist als ein herkömmliches Steuergerät
ausgebildet und elektrisch mit einem Rollsensor 12 verbunden.
Ferner kann der Rollsensor 12 auch in der Steuereinheit 11 integriert
sein. Der Rollsensor 12 ist ein herkömmlicher
Roll- und/oder Neigungssensor und detektiert die Wankbewegungen
des Fahrzeugs, beispielsweise während einer Kurvenfahrt.
Ferner ist es denkbar, die Wankbewegung des Fahrzeugs durch ein
Schätzverfahren oder durch Berechnung zu ermitteln.
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In
einer besonders günstigen, nicht dargestellten Ausführungsform
kann die Steuereinheit 11 baulich in ein Steuergerät
eines im Fahrzeug vorhandenen Fahrerassistenzsystems integriert
werden.
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Für
eine variable Abstimmbarkeit von Wankrückstellung und -dämpfung
sowie für eine Quasi-Horizontalausrichtung sind die beiden
an einer Fahrzeugachse angeordneten Dämpfer 2 zusätzlich zum
Leitungsnetz 4 über eine Verbindungsleitung 14, eine
so genannte Rückleitung, hydraulisch miteinander verbunden.
Diese Verbindungsleitung 14 verbindet insbesondere die
ersten Kammern 10.1 der beiden Dämpfer 2.
Hierzu geht die Verbindungsleitung 14 im Bereich der beiden
Ausgleichsbehälter 8 von Leitungen des Leitungsnetzes 4 ab.
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Alternativ
können auch ein oder mehrere Ausgleichsbehälter 8 an
der Verbindungsleitung 14 angeordnet werden.
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Im
Betrieb des Wankstabilisierungssystems detektiert der Rollsensor 12 eine
Rollbewegung des Fahrzeugs, auch als Wanken bezeichnet, um die Fahrzeuglängsachse
und sendet ein Signal an die Steuereinheit 11.
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Der
Fahrzeugaufbau des Fahrzeugs neigt sich, beispielsweise durch die
einwirkende Zentrifugalkraft, in Richtung eines Kurvenäußeren,
wodurch am kurvenäußeren Dämpfer 2 die
erste Kammer 10.1 verkleinert und die zweite Kammer 10.2 vergrößert ist.
Demgegenüber ist am kurveninneren Dämpfer 2 die
erste Kammer 10.1 vergrößert und die
zweite Kammer 10.2 verkleinert. Ein daraus resultierender Dämpfer-Ölvolumenstrom
und ein durch die Motor-Pumpe-Einheit 3 erzeugter Ölvolumenstrom
addieren sich zu einem Gesamtvolumenstrom, wodurch an der Dämpfungseinheit 9 eine
zusätzliche Dämpferkraft DF erzeugt wird. D. h.,
dass eine an der Dämpfungseinheit 9 anliegende
Druckdifferenz durch den zusätzlichen Ölvolumenstrom
der Motor-Pumpe-Einheit 3 erhöht wird, wodurch
sich die Dämpfungskraft DF ebenfalls erhöht. Mithin
kann über den Ölvolumenstrom der Motor-Pumpe-Einheit 3 die
Dämpferkraft DF zielgerichtet erhöht oder verringert
werden (2).
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Durch
die Rück- oder Verbindungsleitung 14 zwischen
beiden an einer Fahrzeugachse angeordneten Dämpfern 2 sind
die Volumenströme des Öls der beiden Dämpfer 2 hydraulisch
gekoppelt und ein Kreislauf des Dämpfungsöls innerhalb
des Leitungsnetzes 4 des Wankstabilisierungssystems ist
ermöglicht. Beispielsweise kann das von der Motor-Pumpe-Einheit 3 zu
einer Dämpfungseinheit 9 geförderte Öl über
die Verbindungsleitung 14 zur zweiten an dieser Fahrzeugachse
angeordneten Dämpfungseinheit 9 fließen
und durch diese zur Motor-Pumpe-Einheit 3 zurück.
Auf diese Art und Weise ist beispielsweise bei einer stationären
Kreisfahrt unter allen auftretenden Betriebsbedingungen des Fahrzeugs
ein Wankausgleich ermöglicht.
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Im
Fall eines Ausfalls des Wankstabilisierungssystems ist es wünschenswert,
einen ausfallsicheren Zustand bereitzustellen, so dass das Öl
daran gehindert wird, zwischen den beiden Dämpfern 2 einer
Fahrzeugachse zu fließen, was die Rollstabilität des
Fahrzeugs reduzieren würde. Als Ausfallsicherung ist jeweils
ein Ventil 13 in den betreffenden Leitungen des Leitungsnetzes 4 zwischen
der Motor-Pumpe-Einheit 3 und dem jeweiligen Dämpfer 2 angeordnet.
Dieses Ventil 13 wird beispielsweise bei einem Defekt und
einem daraus resultierendem Ausfall der Motor-Pumpe-Einheit 3 von
der Steuereinheit 11 gesteuert und/oder geregelt geschlossen
und trennt die Dämpfer 2 hydraulisch voneinander
und von der Motor-Pumpe-Einheit 3.
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In
einer alternativen Ausführungsform kann ein ausfallsicheres
Ventil verwendet werden. Ein derartiges, nicht dargestelltes ausfallsicheres
Ventil umfasst ein von einer Feder in eine normalerweise geschlossene
Position vorgespanntes Ventil. Ein Elektromagnet steht in Kommunikation
mit der Steuereinheit 11. Der Elektromagnet öffnet
das Ventil in eine offene Position, wenn das Wankstabilisierungssystem
und insbesondere die Motor-Pumpe-Einheit 3 korrekt funktioniert.
Im Fall eines Defekts und eines daraus resultierenden Ausfalls des Öldrucks
spannt die Feder das Ventil in die geschlossene Position vor, wodurch
in einem Ausfallzustand die hydraulische Verbindung zwischen den
Dämpfern 2 untereinander und der Motor-Pumpe-Einheit 3 getrennt
wird.
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2 zeigt
schematisch eine Kennlinie K des Dämpfers 2 für
dessen Druck- und Zugstufe. Dabei ist auf der Ordinate die Dämpferkraft
DF und auf der Abszisse eine Dämpfergeschwindigkeit Dv
des Dämpfers 2 abgebildet.
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Führt
nun ein Fahrmanöver zu einer Wankbewegung des Fahrzeugs
wird durch die Bewegung des Kolbens 7 im Zylinder 6 ein
Dämpfer-Ölvolumenstrom erzeugt, der von der Bewegungsgeschwindigkeit
des Kolbens 7 im Zylinder 6 bzw. von der Durchströmgeschwindigkeit
des Ölvolumens durch die Dämpfungseinheit 9 abhängig
ist. Verursacht das Fahrmanöver eine bspw. geringe Dämpfergeschwindigkeit
Dv, mit dem Wert X, wobei X < Y < Z ist, wird hierzu
an der Dämpfungseinheit 9 eine korrespondierende
Dämpferkraft DF, mit dem Wert B, wobei bspw. A < B < C ist, erzeugt.
Ein Punkt P1 markiert hierbei den Schnittpunkt von X und B auf der
Kennlinie K. Durch die Motor-Pumpe-Einheit 3 wird ein zusätzlicher Ölvolumenstrom
bereitgestellt, der es ermöglicht den Punkt P1 in Richtung
eines zweiten Punktes P2 zu verschieben. D. h., dass an der Dämpfungseinheit 9 eine
zusätzliche Dämpferkraft DF erzeugt wird, die
einen Wankausgleich auch bei geringen Dämpfergeschwindigkeiten
Dv ermöglicht.
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Insbesondere
bei Fahrmanövern im Gelände ist eine freie Verschränkung
gewünscht. Zu diesem Zweck kann die Motor-Pumpe-Einheit 3 durch
die Steuereinheit 11 funktionslos geschaltet werden, sodass
lediglich der Dämpfer-Ölvolumenstrom die Dämpferkraft
DF verursacht.
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Ferner
ist es möglich die Motor-Pumpe-Einheit 3 zur Rekuperation
von Bewegungsenergie zu nutzen. Dabei treibt der vom Kolben 7 erzeugte Dämpfer-Ölvolumenstrom
die Motor-Pumpe-Einheit 3 direkt oder indirekt über
eine geeignete Übersetzung an, wobei die Motor-Pumpe-Einheit 3 als
ein Generator fungiert und die erzeugte elektrische Energie direkt
an einen Verbraucher oder an eine Speichervorrichtung abgibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0003]