DE102010014185A1

DE102010014185A1 - Dämpfungseinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Dämpfungseinrichtung

Info

Publication number: DE102010014185A1
Application number: DE102010014185A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Ing. Cytrynski
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2011-01-13
Also published as: DE102010007237A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungseinrichtung (1) für eine Radaufhängung (47) eines Fahrzeugs, mit einem einen Arbeitsraum (38) aufweisenden Zylinder (2), in welchem ein den Arbeitsraum (38) in zwei Kammern (9, 10) unterteilender Kolben (3) relativ zu dem Zylinder (2) verschiebbar geführt ist, mit einer elektrischen Maschine (20) und mit einer zwei Anschlüsse aufweisenden und von der elektrischen Maschine (20) antreibbaren Pumpeinrichtung (19) mit zwei Förderrichtungen, wobei in der einen Förderrichtung über einen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in eine der Kammern (9, 10) förderbar ist und in der anderen Förderrichtung über den anderen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in die andere der Kammern (9, 10) förderbar ist, wobei eine Regelungseinrichtung (35) vorgesehen ist, mittels welcher in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der elektrischen Maschine (20) eine Dämpfungskraft der Dämpfungseinrichtung (1) ermittelbar ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Dämpfungseinrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungseinrichtung für eine Radaufhängung eines Kraftwagens der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, sowie ein Verfahren einer solchen Dämpfungseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
Die DE 39 02 743 C1 offenbart ein aktives Rad- bzw. Achsabstützaggregat für Kraftfahrzeuge, mit einem doppeltwirkenden hydraulischen Kolben-Zylinder-Aggregat, dessen vom Kolben voneinander abgetrennte Kammern mittels einer Steuer- bzw. Regelventilanordnung abschließbar und/oder mit einer hydraulischen Druckquelle bzw. der Druckseite einer hydraulischen Pumpe oder mit einem Hydraulikreservoir bzw. der Saugseite der hydraulischen Pumpe verbindbar sind. Jede Kammer ist ständig mit einem separaten Druckspeicher verbunden, wobei in den die Kammern mit den Druckspeichern verbindenden Leitungen Drosseln angeordnet sind.
Aus dem VDI-Bericht Nr. 1931 aus dem Jahre 2006 ist ein Aktor für ein Fahrwerk eines Kraftwagens bekannt, welcher einen hydraulischen Zylinder aufweist, in welchem ein Kolben verschiebbar geführt angeordnet ist, wobei der Kolben den hydraulischen Zylinder in zwei Kammern unterteilt. Es ist eine reversible Flügelzellenpumpe vorgesehen, mittels welcher Arbeitsmedium in die jeweilige Kammer förderbar ist, und wobei die Flügelzellenpumpe von einer Zentralhydraulik angetrieben wird. Die bekannten Konzepte weisen eine hohe Komplexität auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Dämpfungseinrichtung für eine Radaufhängung eines Kraftwagens bereitzustellen, welche insbesondere eine geringe Komplexität aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Dämpfungseinrichtung für eine Radaufhängung eines Kraftwagens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Dämpfungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung für eine Radaufhängung eines Kraftwagens, mit einem einen Arbeitsraum aufweisenden Zylinder, in welchem ein den Arbeitsraum in zwei Kammern unterteilender Kolben relativ zu dem Zylinder verschiebbar geführt ist, mit einer elektrischen Maschine und mit einer zwei Anschlüsse aufweisenden und von der elektrischen Maschine antreibbaren Pumpeinrichtung mit zwei Förderrichtungen, wobei in der einen Fördereinrichtung über einen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in eine der Kammern förderbar ist und in der anderen Förderrichtung über den anderen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in die andere der Kammern förderbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Regelungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher in Abhängigkeit von wenigstens einem einen Betriebszustand der elektrischen Maschine charakterisierenden Signal und/oder in Abhängigkeit von einem mittels einer Erfassungseinrichtung erfassten und eine Relativposition und/oder eine Relativbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder charakterisierenden Signal eine Dämpfungskraft der Dämpfungseinrichtung ermittelbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung sind somit keine zusätzlichen Erfassungseinrichtungen wie beispielsweise Drucksensoren vonnöten, um die Dämpfungskraft der Dämpfungseinrichtung bei sich relativ zu dem Zylinder bewegenden Kolben zu erfassen bzw. zu ermitteln, die dann zur Regelung der Dämpfungseinrichtung durch die Regelungseinrichtung verwendet werden können. Damit weist die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung eine geringe Teileanzahl und eine geringe Komplexität auf, was mit geringen Kosten für die Dämpfungseinrichtung einhergeht.
Darüber hinaus können aufwendige und kostenintensive Ventileinrichtungen zum Beaufschlagen der jeweiligen Kammern mit Arbeitsmedium bzw. zum Abführen von Arbeitsmedium aus der jeweiligen Kammer entfallen, was den Bauraumbedarf, das Gewicht sowie die Kosten der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung gering hält.
Bei dem den Betriebszustand der elektrischen Maschine charakterisierenden Signal handelt es sich beispielsweise um eine Drehrichtung der elektrischen Maschine beim Antreiben der Pumpeinrichtung in die eine oder die andere Förderrichtung, um die Drehzahl der elektrischen Maschine, um Strangströme und/oder Strangspannungen. Bei der Relativposition bzw. der Relativbewegung handelt es sich beispielsweise um mittels eines Federwegsensors erfasste Einfederwege bzw. Einfedergeschwindigkeiten der Dämpfungseinrichtung bzw. des Kolbens relativ zu dem Zylinder. Dabei werden diese Signale genutzt, um Dämpfungskräfte der Dämpfungseinrichtung zu ermitteln, mittels welchen dann die Dämpfungseinrichtung an einen Fahr- und Betriebszustand des Kraftwagens angepasst werden kann, indem eine Kammer mit Arbeitsmedium gefüllt und aus der anderen Kammer Arbeitsmedium abgeführt wird.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Dämpfungseinrichtung für eine Radaufhängung eines Kraftwagens, mit einem einen Arbeitsraum aufweisenden Zylinder, in welchem ein den Arbeitsraum in zwei Kammern unterteilender Kolben relativ zu dem Zylinder verschiebbar geführt ist, mit einer elektrischen Maschine und mit einer zwei Anschlüsse aufweisenden und von der elektrischen Maschine antreibbaren Pumpeinrichtung mit zwei Fördereinrichtungen, bei welchem in der einen Fördereinrichtung über einen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in eine der Kammern gefördert und in der anderen Förderrichtung über den anderen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in die andere der Kammern gefördert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels einer Regelungseinrichtung eine Dämpfungskraft der Dämpfungseinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem einen Betriebszustand der elektrischen Maschine charakterisierenden Signal und/oder in Abhängigkeit von einem mittels einer Erfassungseinrichtung erfassten und eine Relativposition und/oder eine Relativbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder charakterisierenden Signal ermittelt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung und umgekehrt anzusehen. Somit ermöglicht auch das erfindungsgemäße Verfahren die Erfassung bzw. die Ermittelung der Dämpfungskraft ohne zusätzliche Erfassungseinrichtungen wie beispielsweise Drucksensoren, was die Teileanzahl, die Komplexität und damit die Kosten des Verfahrens gering hält.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Maschine über die Pumpeinrichtung als Generator infolge einer Druckdifferenz zwischen den mit Arbeitsmedium gefüllten Kammern antreibbar, wobei mittels der elektrischen Maschine als Generator Strom erzeugbar ist. Der Strom kann unmittelbar in ein Bordnetz des Kraftwagens und/oder in eine Speichervorrichtung des Kraftwagens, beispielsweise in eine Batterie, eingespeist werden. Dadurch ist eine Möglichkeit geschaffen, Energie rückzugewinnen und damit Kraftstoff sowie die CO₂-Emissionen des Kraftwagens zu reduzieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind beide Kammern jeweils mit einem Druckspeicher fluidisch verbunden, in welchen Arbeitsmedium aufnehmbar ist, wobei mittels der Pumpeinrichtung in der einen Förderrichtung in den mit der einen Kammer verbundenen Druckspeicher und in der anderen Förderrichtung Arbeitsmedium in den mit der anderen Kammer verbundenen Druckspeicher förderbar ist. Dabei ist eine jeweilige Drosseleinrichtung vorgesehen, über welche Arbeitsmedium mittels der Pumpeeinrichtung in den jeweiligen Druckspeicher förderbar ist, wobei die Drosseleinrichtungen bevorzugt jeweils ein Rückschlagventil umfassen. Bevorzugt weisen dabei die Druckspeicher eine progressive Kraftcharakteristik auf und sind beispielsweise als Membranspeicher, Kolbenspeicher oder als sogenannter Gasbagspeicher ausgebildet, wobei der Gasbagspeicher gemäß der DE10029150C1 ausgebildet sein kann.
Da die Pumpeinrichtung von der elektrischen Maschine als Motor antreibbar ist, wodurch Arbeitsmedium in die jeweilige Kammer förderbar bzw. aus der jeweiligen Kammer förderbar ist, wobei die Förderung von Arbeitsmedium in bzw. aus der jeweiligen Kammer mittels der Regelungseinrichtung regelbar ist, kann eine randindividuelle Regelung von Kraft und Niveau, eine schnelle Niveauregulierung, ein geringer Energieverbrauch, eine rein elektrische Energieversorgung, eine hohe Stellkraft und Stelldynamik sowie eine sehr gute Gesamtwirtschaftlichkeit erzielt werden.
Vorzugsweise steuert bzw. regelt die Regelungseinrichtung die elektrische Maschine und damit die Pumpeinrichtung in Abhängigkeit eines Lastfalls, was mit einem wirtschaftlichen Betrieb der Pumpeinrichtung und der elektrischen Maschine einhergeht, in welchem die elektrische Maschine einen geringen Energiebedarf aufweist.
Ferner ist es auch möglich, dass die Regelungseinrichtung die elektrische Maschine und damit die Pumpeinrichtung in Abhängigkeit einer Umfelderfassungseinrichtung steuert. Unter Umfelderfassungseinrichtung kann beispielsweise Lidar, Radar, Ultraschall oder ein Laserscanner verstanden werden.
Ebenso denkbar ist die Steuerung Abhängig von Car-to-Car communication (C2C), also dem Austausch von Informationen und Daten zwischen Kraftfahrzeugen.
Vorteilhaft ist dabei, dass die Dämpfungseinrichtung durch die Umfelderfassungseinrichtung bzw. durch C2C vorausschauend auf beispielsweise eine Fahrbahnunebenheit eingestellt werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehen in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 einen Schaltplan einer Dämpfungseinrichtung für eine Radaufhängung eines Kraftwagens;
2 einen Verlauf der Steifigkeit über der Kraft der Dämpfungseinrichtung gemäß 1;
3 einen Verlauf eines Drehmoments einer Pumpe der Dämpfungseinrichtung gemäß 1 über einer Drehzahl der Pumpe;
4 eine schematische Vorderansicht einer Radaufhängung für einen Kraftwagen mit der Dämpfungseinrichtung gemäß 1;
5 eine schematische Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform einer Radaufhängung für einen Kraftwagen mit einer weiteren Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung gemäß der 1 und 4; und
6 eine schematische Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform einer Radaufhängung gemäß den 4 und 5;
7 eine schematische Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform einer Radaufhängung gemäß den 4 bis 6;
8 eine schematische Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform einer Radaufhängung gemäß den 4 bis 7; und
9 eine schematische Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform einer Radaufhängung gemäß den 4 bis 8.
Die 1 zeigt eine Dämpfungseinrichtung 1 für eine Radaufhängung 47 eines Kraftwagens, welche einen Zylinder 2 mit einem Arbeitsraum 38 umfasst. in dem Arbeitsraum 38 ist ein relativ zu dem Zylinder 2 verschiebbarer Kolben 3 geführt aufgenommen, wobei der Kolben 3 mit einer Kolbenstange 37 verbunden ist. Der Kolben 3 unterteilt den Arbeitsraum 38 in einen Ringraum 9 sowie einen Kolbenraum 10. An einem unteren Ende des Zylinders 2 ist ein Fußgelenk 8 befestigt, um den Zylinder 2 mit anderen Komponenten des Kraftwagens zu verbinden. Die Kolbenstange 37 ist an ihrem oberen Ende über ein Elastomerlager 5 mit einem Flansch 4 verbunden. Eine Bewegung des Kolbens 3 und der Kolbenstange 37 gegenüber dem Zylinder 2 wird durch einen Puffer 6 und durch einen Zuganschlag 7 begrenzt. Steigt ein Druckunterschied zwischen dem mit einem hydraulischen Medium in Form von Öl gefüllten Ringraum 9 und dem mit dem Öl gefüllten Kolbenraum 10 über einen Schwellwert an, so kann über ein federbelastetes Sperrventil 11 ein Teil des Öl aus dem Kolbenraum 10 in den Ringraum 9 fließen. Der Schwellwert wird dabei über die Federvorspannung des Sperrventils 11 festgelegt.
An den Ringraum 9 ist über hydraulische Leitungen 12 und 17 eine hydraulische Pumpe angeschlossen. Ferner ist der Ringraum 9 über die Leitung 12 sowie über Leitungen 13 und 15 mit einem Drosselrückschlagventil 14 und einem vorgespannten Speicher 16 für das Öl 16 verbunden.
An den Kolbenraum 10 ist über hydraulische Leitungen 21 und 18 dieselbe hydraulische Pumpe 19 angeschlossen. Ferner ist der Kolbenraum 10 über die Leitung 21 sowie über Leitungen 22 und 24 mit einem Drosselrückschlagventil 23 und mit einem vorgespannten Speicher 25 verbunden. Die Drosselrückschlagventile 14 und 23 können mit einer konstanten oder verstellbaren Durchflusscharakteristik ausgestattet sein.
Die Pumpe 19 weist zwei Förderrichtungen auf und kann somit Öl in beide Richtungen fördern, das heißt von der Leitung 17 zu der Leitung 18 und umgekehrt. Ebenfalls ist die Pumpe 19 von einer Druckdifferenz zwischen den Leitungen 17 und 18 antreibbar. Dies bedeutet, dass die Pumpe 19 generatorisch arbeitet. Die Pumpe 19 ist mit einem Elektromotor 20 verbunden. In Zusammenschau mit 3 wird deutlich, dass der Elektromotor in allen vier Quadranten I, II, III, IV des Diagramms 39 der 3 arbeiten kann. Auf der Abszisse 40 des Diagramms 39 der 3 ist dabei eine Drehzahl des Elektromotors 20 aufgetragen, während auf der Ordinate 41 des Diagramms 39 das Drehmoment des Elektromotors 20 aufgetragen ist. Das bedeutet, dass der Elektromotor 20 sowohl als Motor als auch Generator in beiden Drehrichtungen arbeiten kann, wobei der Elektromotor 20 als Generator von der Pumpe 19 infolge der Druckdifferenz zwischen den Leitungen 17 und 18 antreibbar ist. Durch eine Drehzahlsteuerung des Elektromotors 20 ist es möglich, das Öl zwischen den ringraumseitigen Komponenten und den kolbenseitigen Komponenten dynamisch zu verschieben und so die Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 zu regulieren.
Unmittelbar am Elektromotor 20 bzw. an der Pumpe 19 ist eine elektrisch betätigbare Haltebremse 36 befestigt, die von einer elektronischen Steuereinheit 35 derart mit einem elektrischen Strom angesteuert wird, dass die Bremse im Normalfall offen ist. Sobald die elektronische Steuereinheit 35 einen Fehler feststellt oder die elektrische Spannungsversorgung der elektrischen Steuereinheit 35 unterbrochen wird, entfällt der Strom für die Haltebremse 36 und die Haltebremse 36 schließt und verhindert eine ungewollte Bewegung des Elektromotors 20 und der Pumpe 19. Damit wird auch im Fehlerfall eine Abstützkraft der Dämpfungseinrichtung 1 gewährleistet.
In der mittleren Ruhelage des Kolbens 3 im Zylinder 2 sind die beiden Speicher 16 und 25 und damit die gesamte Dämpfungseinrichtung 1 mit demselben Druck vorgespannt. Dieser Druck zur Vorspannung der Dämpfungseinrichtung 1 muss dabei nur so hoch sein, dass unter allen Fahrsituationen keine Kavitation des Öls auftreten kann. Diese Forderung wird durch ein Druckniveau erfüllt, welches im Bereich konventioneller Dämpfervorspannungen, beispielsweise zwischen 20 bar und 40 bar, insbesondere bei 30 bar liegt. Dadurch entsteht eine geringe Druckkraft auf eine Dichtung zwischen der Kolbenstange 37 und dem Zylinder 2 und somit eine geringe Reibung der Dämpfungseinrichtung 1 im Bereich geringer Kräfte, das heißt Drücke, der Dämpfungseinrichtung 1.
Die Dämpfungseinrichtung 1 hat in ihrer Mittellage eine geringe Grundkraft, die sich aus dem Druck zum Vorspannen der Dämpfungseinrichtung 1 und der Querschnittsfläche der Kolbenstange 37 errechnet. Diese Kraft ist aber wesentlich geringer als die zum Tragen eines Fahrzeugaufbaus erforderliche Kraft. Wird die Dämpfungseinrichtung 1 in einer axialen Richtung des Kraftwagens integriert, so ist eine Tragfeder 30 (4 und 5) erforderlich, welche beispielsweise als Spiralfeder (4) oder als Luftfeder (5) konzipiert sein kann.
Die Speicher 16 und 25 weisen eine progressive Kraftcharakteristik auf, wie beispielsweise Membranspeicher oder Kolbenspeicher, die mit einem kompressiblen Gas vorgespannt sind. Dadurch steigt die Steifigkeit der Speicher 16 und 25 mit dem Druck an und der Volumenstrombedarf der Pumpe 19 sinkt mit zunehmender Druckdifferenz zwischen den Leitungen 17 und 18. Wird die Pumpe 19 nun mittels des Elektromotors 20 in die eine oder in die andere Drehrichtung bzw. Förderrichtung betrieben, so geschieht das folgende: Wenn das Öl aus der Mittelstellung des Kolbens 3 heraus in die Leitung 17 gefördert wird, steigt der Druck im Speicher 16 progressiv an und es entsteht eine Zugkraft in der Dämpfungseinrichtung 1. Das bedeutet also, die Dämpfungseinrichtung 1 möchte sich zusammenziehen. Der Kolben 3 bewegt sich also in Richtung des Fußgelenks 8. Wenn das Öl aus der Mittelstellung heraus in die Leitung 18 gefördert wird, steigt der Druck im Speicher 25 progressiv an und es entsteht eine Druckkraft in der Dämpfungseinrichtung 1, das heißt, die Dämpfungseinrichtung 1 möchte sich verlängern. Der Kolben 3 bewegt sich von dem Fußgelenk 8 weg. Die Progressivität der Speicher 16 und 25 kommt in beiden Wegrichtungen zum Tragen, so dass die Dämpfungseinrichtung 1 einen geringen Leistungs- und Energiebedarf zum Aufbau von Kräften benötigt. Als Beispiel ist ein typischer, progressiver Steifigkeitsverlauf der Dämpfungseinrichtung 1 über der Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 in einem Diagramm 42 gemäß 2 dargestellt, wobei auf der Abszisse 43 des Diagramms 42 die Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 und auf der Ordinate 44 die Steifigkeit der Dämpfungseinrichtung 1 aufgetragen ist.
Ferner sorgt das Drosselrückschlagventil 14 dafür, dass der Druck in der Leitung 13 und damit im Ringraum 9 schneller ansteigt als im Speicher 16, wenn Öl über die Leitung 13 und 15 in den Speicher 16 fließt. Entsprechendes gilt für das Drosselrückschlagventil 23. Dadurch hat die Dämpfungseinrichtung 1 eine hohe Dynamik beim Kraftaufbau.
Schließlich sorgen die Drosselrückschlagventile 14 und 23 für eine Dämpfung einer Bewegung eines Rads 28 (4 und 5) bei Anregungen des Rads 28 durch Unebenheiten einer Fahrbahn 45 (4 und 5), auf welcher der Kraftwagen fährt und das Rad 28 bei der Fahrt aufliegt. Ein Teil der durch die Anregungen der Fahrbahn 45 induzierten Energie kann durch einen generatorischen Betrieb der Pumpe 19 und des Elektromotors 20 zurückgewonnen und in das Bordnetz des Kraftwagens gespeist werden.
Für eine beispielhafte Auslegung ist in der 3 eine Belastung der Pumpe 19 bei einem sehr raschen Kraftauf- und -abbau der Dämpfungseinrichtung 1 gemäß einem Verlauf 46 gezeigt. Durch die besondere Charakteristik des Druckaufbaus in der Dämpfungseinrichtung 1 ist der Leistungsbedarf in den Quadranten I und III, das heißt das Produkt aus Drehzahl und Moment ist größer als 0, über weite Zeit nahezu konstant verglichen mit den gestrichelt dargestellten Hyperbeln gleicher Leistung. Das heißt die verfügbare Leistung des Elektromotors 20 kann vollständig und optimal genutzt werden. Weiterhin ist es möglich, die während eines Druckaufbaus in den Speichern 16 und 25 gespeicherte Energie beim Druckabbau wieder teilweise zurückzugewinnen, indem die Pumpe 19 und der Elektromotor 20 generatorisch arbeiten und von der Druckdifferenz zwischen der Leitung 17 und 18 angetrieben werden. Dies ist gemäß dem Diagramm 42 der 2 in den Quadranten II und IV der Fall. Das heißt das Produkt aus Drehzahl und Moment ist kleiner als 0. Dadurch sinkt der Energiebedarf der Dämpfungseinrichtung 1 deutlich. Mithin nutzt die Dämpfungseinrichtung 1 eine Kennlinie des Elektromotors 20 maximal aus, d. h., dass der Elektromotor 20 an dessen Leistungsgrenze arbeitet.
Wenn die Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 hingegen nur schwach variiert, aber der Kolben 3 und der Zylinder 3 relativ zueinander verfahren werden zur Darstellung einer Niveauverstellung, dann fördert die Pumpe 19 das Öl direkt vom Ringraum 9 in den Kolbenraum 10, das heißt, die Dämpfungseinrichtung 1 wird länger, bzw. vom Kolbenraum 10 in den Ringraum 9, das heißt die Dämpfungseinrichtung 1 wird kürzer. Weil der Druck in den Leitungen 17, 18 dabei nur geringfügig auseinander läuft, ist für die Niveauverstellung nur wenig Leistung erforderlich. Dadurch kann das Niveau sehr rasch verstellt werden.
Für den Leistungsbedarf des Elektromotors 20 sind nur die Verstellgeschwindigkeit und die Höhe der Kraft entscheidend. Der Gesamthub der Dämpfungseinrichtung 1, das heißt der Federweg des Rads 28 gegenüber einem Aufbau 31 (4 und 5) des Kraftwagens, an welchem das Rad 28 mittels einer Radaufhängung 47 (4 und 5) aufzuhängen ist, spielt keine oder nur eine sehr geringe Rolle. Daher wird der Federweg nicht durch die Dämpfungseinrichtung 1 begrenzt. Des Weiteren umfasst die Radaufhängung 47 gemäß den 4 und 5 einen Radträger 27, an dem das Rad 28 gehalten ist.
Die 4 zeigt wie die Kraft in der Dämpfungseinrichtung 1 bzw. in einem Federbein 48 des Kraftwagens geregelt wird. Der Elektromotor 20 ist bevorzugt als permanent erregte Synchronmaschine (PMSM) oder als Asynchronmaschine (ASM) ausgeführt. Die elektronische Steuereinheit 35 verarbeitet die folgenden Ein- und Ausgangssignale:
Eingangssignale: Versorgungsspannung U, Sollkraft F_soll, Temperatur T des Elektromotors 20, Strangströme i_a, i_b, i_c des Elektromotors 20, Drehwinkel des Elektromotors phi, Verdrehwinkel phi_N eines Niveau-Winkelsensors 34.
Ausgangssignale: Aktorkraft der Dämpfungseinrichtung 1 F_ist, Einfederweg des Rads 28 gegenüber dem Aufbau 31 x, der elektrischer Leistungsbedarf der Dämpfungseinrichtung 1 P, Strangspannungen V_a, V_b, V_b des Elektromotors 20, Ansteuerströme für Verstelldämpfungsventile i_VD1 und i_VD2, Strom für die Betätigung der Haltebremse 36 i_B.
Die elektronische Steuereinheit 35 misst die Strangströme i_a, i_b, und i_c und die Temperatur T des Elektromotors 20 bzw. in unmittelbarer Nähe dazu, z. B. in den Leitungen 17 und 18. Über einen in der 4 nicht dargestellten Resolver wird ferner der Drehwinkel des Elektromotors 20 erfasst und von der elektronischen Steuereinheit 35 eingelesen.
Der Einfederweg des Rads 28 gegenüber dem Aufbau 31 kann über den Niveau-Winkelsensor 34 errechnet werden. Der Niveau-Winkelsensor 34 ist über eine Hebelmechanik mit dem Aufbau 31 und entweder mit einem Federlenker 26 oder einem Querlenker 29 verbunden. Aus dem Signal des Niveau-Winkelsensors 34 wird in der elektronischen Steuereinheit 35 über eine zeitliche Ableitung eine Einfedergeschwindigkeit des Kolbens 3 gegenüber dem Zylinder 2 errechnet. Aus der Einfedergeschwindigkeit und dem Pumpenvolumenstrom werden die Ölvolumenströme errechnet, die über die Leitungen 13 und 22 in die Speicher 16 und 25 fließen. Aus den aus Kalibriermessungen bekannten Durchflusscharakteristiken der Drosselrückschlagventile 14 und 23 wird in der elektronischen Steuereinheit 35 der Druckabfall über die Drosselrückschlagventile 14 und 23 berechnet.
Durch ein zeitlich mitgeführtes Beobachtermodell, z. B. nach Kalmann oder Lueneberg, wird auf die aktuell wirkende Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 F_ist geschlossen. Die elektronische Steuereinheit 35 liest von einem in der 4 nicht dargestellten Steueralgorithmus die zu stellende Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 F_soll ein und liefert die tatsächlich wirkende Kraft F_ist zurück. Die elektrische Steuereinheit reguliert die Strangspannungen V_a, V_b und V_c, um die Drehzahl und Drehrichtung des elektrischen Motors zu regeln und somit die Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 F_ist der Sollkraft F_Soll nachzuführen.
Eine zu geringe Versorgungsspannung U, eine zu hohe Temperatur des Elektromotors 20 T, eine massive Störanregung des Rads 28 oder generell eine Änderung der Sollkraft F_soll, die so dynamisch ist, dass sie die Dynamik der Dämpfungseinrichtung 1 übersteigt, können Gründe dafür sein, dass die Dämpfungseinrichtung 1 die Sollkraft F_soll vorübergehend nicht erreichen kann.
Ferner kann aus den Strangspannungen V_a bis V_c und Strangströmen i_a bis i_c die aktuell von der Dämpfungseinrichtung benötige bzw. zur Verfügung gestellte elektrische Leistung P errechnet und an ein Bordnetzmanagement des Kraftwagens übermittelt werden.
Die 4 bis 9 zeigen, wie die Dämpfungseinrichtung 1 in einer Achse des Kraftwagens integriert werden kann. Tragfedern 30 bestehender Achsen können zumindest nahezu unverändert übernommen werden. Bei Luftfedersystemen (5) kann eine zentrale Luftversorgung (Kompressor, Filter, Ventilblock, Leitungen, etc.) weitgehend beibehalten werden. Weil die Dämpfungseinrichtung 1 kurzfristig eine schnelle Niveauregulierung erlaubt, kann ein üblicherweise eingesetzter zentraler Luftdruckspeicher eingespart werden. Die Dämpfungseinrichtung 1 passt in den Bauraum, der in passiven und semiaktiven Federungs- und Dämpfungssystemen dem Dämpfer vorbehalten ist. Die Spiralfedern können wie üblich an die unterschiedlichen Fahrzeuggewichte angepasst werden (Drahtstärken, Unterlagen, Wicklungszahl). Die Dämpfungseinrichtung 1 kann durch ihren großen Kraftbereich mit nur geringen Modifikationen (Kennlinie der Drosselrückschlagventile 14, 23, Vorspanndrücke) an unterschiedliche Fahrzeugvarianten angepasst werden. Durch die geringe Anzahl von benötigten Bauteilen ist eine kostengünstige Entwicklung und Fertigung möglich.
Besonders vorteilhaft an der in der 5 gezeigten Dämpfungseinrichtung 1 ist, dass die Speicher 16 und 25 und die beiden Drosselrückschlagventile 14 und 23 direkt am Zylinder 2 angebracht sind. Dadurch können die Leitungen 12, 13, 21 und 22 entfallen.
Die in den Figuren gezeigte Dämpfungseinrichtung 1 baut sehr leicht. Zum einen ist dies begründet in der Verwendung von kompakten und leichten Hydrospeichern als Federelemente im Gegensatz zu Spiralfedern. Zum anderen ist dies begründet in der optimalen Ausnutzung des Elektromotors 20 und dessen Betrieb an seiner Leistungsgrenze sowie durch eine sehr geringe Anzahl von benötigten Bauteilen.
Gemäß 4 ist das Fußgelenk 8 am Querlenker 26 befestigt. Der Flansch 4 ist mit dem Aufbau 31 des Kraftwagens verbunden. Parallel zur Dämpfungseinrichtung 1 nimmt die Tragfeder 30 hier in Form einer Spiralfeder das mittlere statische Gewicht des Aufbaus 31 auf. Die Tragfeder leitet ihre Kraft über den Zylinder 2 und das Fußgelenk 8 ebenfalls in den Federlenker 26. Die Dämpfungseinrichtung 1 und die Tragfeder 30 bilden zusammen das Federbein 48, welches die Kraft zwischen dem Rad 28 und Aufbau 31 definiert. Die Führung des Rads 28 relativ zum Aufbau 31 übernehmen die Federlenker 26 und der Querlenker 29, der Radträger 27 sowie nicht dargestellte weitere Stangen und Lenker. Von der Dämpfungseinrichtung 1 führen die elastischen hydraulischen Leitungen 12 und 21 zu dem am Aufbau 31 befestigten restlichen Komponenten der Dämpfungseinrichtung 1, wobei es sich um die Leitung 13, das Drosselrückschlagventil 14, die Leitung 15, den Speicher 16, die Leitung 17, die Leitung 18, die Pumpe 19, den Elektromotor 20, die Leitung 22, das Drosselrückschlagventil 23, die Leitung 24 und den Speicher 25 handelt. Die Leitung 13, das Drosselrückschlagventil 14, die Leitung 15, der Speicher 16, die Leitung 17, die Leitung 18, die Pumpe 19 und der Elektromotor 20 sowie die Leitung 22, das Drosselrückschlagventil 23, die Leitung 24 und der Speicher 25 werden besonders vorteilhaft zu einer kompakten Einheit kombiniert.
Bei den in der 5 bis 8 dargestellten Varianten der Dämpfungseinrichtung 1 müssen im Aufbau 31 des Kraftwagens nur noch die Leitung 13, das Drosselrückschlagventil 14, die Leitung 15, der Speicher 16, die Leitung 17, die Leitung 18, die Pumpe 19 und der Elektromotor 20 verbaut werden, und zwar besonders vorteilhaft zu einer kompakten Einheit kombiniert.
Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung 1, wobei zwischen dem Zylinder 2 und dem Fußgelenk 8 der Speicher 25 als tragendes Element in die Dämpfungseinrichtung 1 integriert ist. Auch das Drosselrückschlagventil 23 ist direkt an die Dämpfungseinrichtung 1 montiert (extern) oder innerhalb der Dämpfungseinrichtung 1 untergebracht, was insbesondere in Zusammenschau mit 8 verdeutlicht ist. Gemäß 6 ist die Tragfeder als Luftfeder ausgestaltet, deren Luftmasse über eine zentrale Luftversorgung reguliert werden kann.
Gemäß 7 benötigt eine Antriebswelle 33 im unteren Bereich der Dämpfungseinrichtung 1 Bauraum, weswegen der Zylinder 2 über eine schmale Stange, einen Bügel oder eine Gabel mit dem Federlenker 26 verbunden ist. Der Speicher 25 und das Drosselrückschlagventil 26 sind seitlich (extern) an der Dämpfungseinrichtung 1 montiert. Die Tragfeder 30 kann auch als Spiralfeder ausgebildet sein.
Eine in der 8 ausgeführte Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung 1 kommt häufig an Hinterachsen von Kraftwagen zum Einsatz. Dabei sind die Tragfeder 30 und die Dämpfungseinrichtung 1 räumlich voneinander getrennt, was eine so genannte aufgelöste Bauweise an Stelle des Federbeins 28 gemäß den 4 bis 7 darstellt. Als weitere Besonderheit dieser Variante ist das Drosselrückschlagventil 28 direkt zwischen dem Zylinder 2 und dem Speicher 25 in die Dämpfungseinrichtung 1 integriert. Alternativ kann das Drosselrückschlagventil 23 aber auch extern, wie in Zusammenschau mit 5 verdeutlich ist, an der Dämpfungseinrichtung 1 angebracht werden, die Tragfeder 30 kann auch als Luftfeder ausgebildet sein.
Gemäß 9 ist der Elektromotor 20 als permanent erregte Synchronmaschine (PMSM) ausgeführt.
Im Folgenden wird beschrieben, wie die elektronische Steuereinheit 35 über das Beobachtermodell die aktuell wirkende Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 F_ist ermittelt werden kann. Diese errechnet sich aus dem Druck im Ringraum 9 p_R, dem Druck im Kolbenraum 10 p_K und (optional) einer druckabhängige Reibung einer Dichtung im Zylinder 2, beispielsweise zwischen dem Kolben 3 und dem Zylinder 2, F_reib (P_R) gemäß: F_ist = p_R·A_R – p_K·A_K – F_reib(p_R)
Dabei bezeichnet AR die Querschnittsfläche des Kolbens 3 ringraumseitig und A_K die Querschnittsfläche des Kolbens 3 kolbenraumseitig. Der Reibkraftverlauf kann über Kalibriermessungen gewonnen werden. Die Drücke p_R und p_K sind zunächst unbekannt und sollen aus einer Beobachtung der gesamten Dämpfungseinrichtung 1 ermittelt bzw. geschätzt werden.
Dazu wird aus dem Signal des Niveau-Winkelsensors 34 über eine zeitliche Ableitung die Einfedergeschwindigkeit des Kolbens 3 gegenüber dem Zylinder 2 errechnet: x = c·phi_N dx/dt = c·dphi_N/dt
Dabei ist c eine Konstante, die aus einer Kalibriermessung gewonnen wird, der Einfederweg x wird über die elektronische Steuereinrichtung 35 auch anderweitigen Steuergeräten des Kraftwagens zur Verfügung gestellt. Der Volumenstrom der Pumpe 19 aus der Leitung 18 in die Leitung 17 wird errechnet über: Q = k₁(dphi/dt, Δp)
Dabei ist k₁ ein Pumpenkennfeld der Pumpe 19, welches von der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors 20 (dphi/dt) und (optional) dem Differenzdruck zwischen der Leitungen 17 und 18 abhängt und aus Kalibriermessungen gewonnen wird.
Aus der Einfedergeschwindigkeit dx/dt und dem Volumenstrom Q werden die Ölvolumenströme errechnet, die über die Leitungen 13 und 22 in die Speicher 16 und 25 fließen: Q₁₃ = dx/dt·A_R + Q Q₂₂ = –dx/dt·A_K – Q
Aus den Kalibriermessungen bekannten Durchflusscharakteristiken der Drosselrückschlagventile 14 und 23 kann der Druckabfall über die Drosselrückschlagventile 14 und 23 berechnet werden: Δp₁₄ = k_DR(Q₁₄) Δp₂₃ = k_DK(Q₂₃)
Bei einem Verstellventil, also ein Drosselrückschlagventil 14, 23 mit einer dynamisch verstellbaren Drosselcharakteristik, muss der gegenwärtige Ansteuerstrom des Verstellventils berücksichtigt werden: Δp₁₄ = k_DR(Q₁₄, i_VD1) Δp₂₃ = k_DK(Q₂₃, i_VD2)
Aus den Strangströmen i_a, i_b und i_c kann das Moment M_E errechnet werden, welches zwischen Rotor und Stator (also im Luftspalt dazwischen) des Elektromotors 20 wirkt: M_E = f(i_a, i_b, i_c)
Mit der zweifachen Ableitung des Motorwinkels ddphi/ddt und den bekannten Massendrehleistungen von Rotor und der Pumpe 19 sowie (optional dem Reibmoment der Pumpe MR) folgt damit das mechanische Moment, welches das Öl in den Leitungen 17 und 18 auf die Pumpe 19 aufträgt: M_P = I·ddphi/ddt – M_E + M_R
Daraus kann über das aus Kalibriermessungen bekannte Pumpenkennfeld k₂ unmittelbar der Differenzdruck zwischen den Leitungen 17 und 18 bestimmt werden: Δp = k₂(M_P, dphi/dt)
Für den Druck in den Speichern 16 und 25 gilt: p₁₆ + Δp₁₄ – (p₂₅ + Δp₂₂) = Δp
Nun sind sowohl die Drücke p₁₆, im Speicher 16 sowie p₂₅ im Speicher 25 zunächst unbekannt. Beim Stillstand des Kraftwagens können allerdings aus den bekannten Ausspanndruck der Dämpfungseinrichtung 1, dem Einfederniveau x und der Temperatur T ein erster Schätzwert für den Speicherdruck p_s und das Gasvolumen V_x berechnet werden. Im weiteren Lauf der Fahrt kann dann der Schätzwert über die zeitliche Beobachtung der gesamten Sendersignale verbessert werden, indem die Speicherkennlinien nach der folgenden Gleichung beobachtet wird. Für die Gasvolumina der Speicher gilt nämlich: dp/dV = –p_s·V_S·n·V^(–n – 1)
Wobei sich die Volumenänderung dV/dt unmittelbar aus dem Ölvolumenstrom in den Speichern ergibt: dV₁₆/dt = –Q₁₃ dV₂₅/dt = –Q₂₂
Der Polytropenexponent n variiert zwischen 1 und 1,4 in Abhängigkeit von der Temperatur T und dem Ölvolumenstrom in den Speicher 16 und 25. Dieser Zusammenhang kann aus Kalibriermessungen gewonnen werden. n₁₃ = k₃(T, Q₁₃) n₁₃ = {1, ..., 1,4} n₂₅ = k₄(T, Q₂₂) n₂₅ = {1, ..., 1,4}
Für den gesuchten Druck in dem Ringraum 9 und dem Kolbenraum 10 gilt: p_R= p₁₆ + Δp₁₄ p_K = p₂₅ + Δp₂₃
Durch ein zeitlich mitgeführtes Beobachtermodell kann nach den oben ausgeführten Gleichungen, z. B. nach Kalmann oder Lueneberg, auf die aktuell wirkende Kraft der Dämpfungseinrichtung 1 F_ist geschlossen werden.
Ferner kann aus den Strangspannungen V_a bis V_c und den Strangströmen i_a bis i_c die aktuell von der Dämpfungseinrichtung 1 benötigte bzw. zur Verfügung gestellte elektrische Leistung P errechnet und an das Bordnetzmanagement des Kraftwagens übermittelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Dämpfungseinrichtung
2: Zylinder
3: Kolben
4: Flansch
5: Elastomerlager
6: Puffer
7: Zuganschlag
8: Fußgelenk
9: Ringraum
10: Kolbenraum
11: Sperrventil
12: Leitung
13: Leitung
14: Drosselrückschlagventil
15: Leitung
16: Speicher
17: Leitung
18: Leitung
19: Pumpe
20: Elektromotor
21: Leitung
22: Leitung
23: Drosselrückschlagventil
24: Leitung
25: Speicher
26: Federlenker
27: Radträger
28: Rad
29: Querlenker
30: Tragfeder
31: Aufbau
33: Antriebswelle
34: Niveau-Winkelsensor
35: elektronische Steuereinheit
36: Haltebremse
37: Kolbenstange
38: Arbeitsraum
39: Diagramm
40: Abszisse
41: Ordinate
42: Diagramm
43: Abszisse
44: Ordinate
45: Fahrbahn
46: Verlauf
47: Radaufhängung
48: Federbein

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3902743 C1 [0002]
- DE 10029150 C1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- VDI-Bericht Nr. 1931 aus dem Jahre 2006 [0003]

Claims

Dämpfungseinrichtung (1) für eine Radaufhängung (47) eines Fahrzeugs, mit einem einen Arbeitsraum (38) aufweisenden Zylinder (2), in welchem ein den Arbeitsraum (38) in zwei Kammern (9, 10) unterteilender Kolben (3) relativ zu dem Zylinder (2) verschiebbar geführt ist, mit einer elektrischen Maschine (20) und mit einer zwei Anschlüsse aufweisenden und von der elektrischen Maschine (20) antreibbaren Pumpeinrichtung (19) mit zwei Förderrichtungen, wobei in der einen Förderrichtung über einen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in eine der Kammern (9, 10) förderbar ist und in der anderen Förderrichtung über den anderen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in die andere der Kammern (9, 10) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungseinrichtung (35) vorgesehen ist, mittels welcher in Abhängigkeit von wenigstens einem einen Betriebszustand der elektrischen Maschine (20) charakterisierenden Signal und/oder in Abhängigkeit von einem mittels einer Erfassungseinrichtung erfassten und eine Relativposition und/oder eine Relativbewegung des Kolbens (3) relativ zum Zylinder (2) charakterisierenden Signal eine Dämpfungskraft der Dämpfungseinrichtung (1) ermittelbar ist.
Dämpfungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (20) über die Pumpeinrichtung (19) als Generator infolge einer Druckdifferenz zwischen den mit Arbeitsmedium gefüllten Kammern (9, 10) antreibbar ist.
Dämpfungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kammern (9, 10) jeweils mit einem Druckspeicher (16, 25) fluidisch verbunden sind, in welchen Arbeitsmedium aufnehmbar ist.
Dämpfungseinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Pumpeinrichtung (19) in der einen Förderrichtung in den mit der einen Kammer (9, 10) verbundenen Druckspeicher (16, 26) und in der anderen Förderrichtung Arbeitsmedium in den mit der anderen Kammer (9, 10) verbundenen Druckspeicher (16, 25) förderbar ist.
Dämpfungseinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (20) über die Pumpeinrichtung (19) als Generator infolge einer Druckdifferenz zwischen den Druckspeichern (16, 25) antreibbar ist.
Dämpfungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Drosseleinrichtung (14, 23) vorgesehen ist, über welche Arbeitsmedium mittels der Pumpeinrichtung (19) in den jeweiligen Druckspeicher (16, 25) förderbar ist.
Dämpfereinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseleinrichtungen (14, 23) jeweils ein Rückschlagventil umfassen.
Dämpfereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Strömungsquerschnitt der Drosseleinrichtungen (14, 23) einstellbar ist.
Dämpfungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Kammern (9, 10) eine Ventileinrichtung (11), insbesondere ein federbelastetes Sperrventil (11), vorgesehen ist, mittels welchem eine Druckdifferenz zwischen den mit Arbeitsmedium gefüllten Kammern (9, 10) begrenzbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer Dämpfungseinrichtung (1) für eine Radaufhängung (47) eines Fahrzeugs, mit einem einen Arbeitsraum (38) aufweisenden Zylinder (2), in welchem ein den Arbeitsraum (38) in zwei Kammern (9, 10) unterteilender Kolben (3) relativ zu dem Zylinder (2) verschiebbar geführt ist, mit einer elektrischen Maschine (20) und mit einer zwei Anschlüsse aufweisenden und von der elektrischen Maschine (20) antreibbaren Pumpeinrichtung (19) mit zwei Förderrichtungen, bei welchem in der einen Förderrichtung über einen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in eine der Kammern (9, 10) gefördert wird und in der anderen Förderrichtung über den anderen der Anschlüsse als Druckseite Arbeitsmedium in die andere der Kammern (9, 10) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Regelungseinrichtung (35) eine Dämpfungskraft der Dämpfungseinrichtung (1) in Abhängigkeit von wenigstens einem einen Betriebszustand der elektrischen Maschine (20) charakterisierenden Signal und/oder in Abhängigkeit von einem mittels einer Erfassungseinrichtung erfassten und eine Relativposition und/oder eine Relativbewegung des Kolbens (3) relativ zum Zylinder (2) charakterisierenden Signal ermittelt wird.