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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von Aufbaubewegungen in einem Kraftfahrzeug, mit einer Anordnung von vier ersten Kolben-Zylinder-Einheiten, die jeweils einem Rad des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind.
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Kraftfahrzeuge erfahren während der Fahrt Anregungen, die sowohl zu Nick- als auch zu Wankbewegungen des Aufbaus führen. Diese Anregungen können beispielsweise durch die Fahrbahn bedingt sein oder durch die jeweilige Fahrsituation.
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Starke Beschleunigungsmanöver oder Bremsmanöver führen dabei insbesondere zu Nickbewegungen des Aufbaus. Schnelle Kurvenfahrten führen zu Wankbewegungen des Aufbaus.
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Um den Komfort für die Insassen zu erhöhen und um dynamische Fahrmanöver zu ermöglichen, sind im Stand der Technik Lösungen bekannt, die eine Kompensation der Nick- und Wankbewegung bewirken.
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Nachteilig an den Lösungen gemäß dem Stand der Technik ist, dass die bekannten Systeme einen sehr komplexen Aufbau aufweisen und sehr kostenintensiv sind.
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Kompensation von Aufbaubewegungen bereitzustellen, welche gegenüber dem Stand der Technik optimiert ist.
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Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung zur Kompensation von Aufbaubewegungen wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von Aufbaubewegungen in einem Kraftfahrzeug, mit einer Anordnung von vier ersten Kolben-Zylinder-Einheiten, die jeweils einem Rad des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind, wobei eine Kompensationseinheit vorgesehen ist, welche eine fünfte Kolben-Zylinder-Einheit und eine sechste Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, wobei die Kolben der fünften Kolben-Zylinder-Einheit und der sechsten Kolben-Zylinder-Einheit über ein Koppelelement miteinander verbunden sind, wobei zumindest eine erste Anzahl der ersten Kolben-Zylinder-Einheiten und die fünfte Kolben-Zylinder-Einheit untereinander in Fluidkommunikation stehen und zumindest eine zweite Anzahl der ersten Kolben-Zylinder-Einheiten und die sechste Kolben-Zylinder-Einheit miteinander in Fluidkommunikation stehen, und die Kompensationseinheit Mittel zum Ausgleich von Aufbaubewegungen aufweist.
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Über eine Kompensationseinheit, welche der Bewegung des Aufbaus entgegenwirkt, kann zum einen der Fahrkomfort erhöht werden und außerdem die Fahrdynamik verbessert werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn jede Kolben-Zylinder-Einheit einen im Zylinder axial beweglichen Kolben aufweist, wobei beidseits des Kolbens jeweils ein Volumen vorgesehen ist, wobei die erste Kolben-Zylinder-Einheit ein erstes Volumen und ein zweites Volumen aufweist, die zweite Kolben-Zylinder-Einheit ein drittes Volumen und ein viertes Volumen aufweist, die dritte Kolben-Zylinder-Einheit ein fünftes Volumen und ein sechstes Volumen aufweist und die vierte Kolben-Zylinder-Einheit ein siebtes Volumen und ein achtes Volumen aufweist, wobei die fünfte Kolben-Zylinder-Einheit ein neuntes Volumen und ein zehntes Volumen aufweist und die sechste Kolben-Zylinder-Einheit ein elftes Volumen und ein zwölftes Volumen aufweist.
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Über die Verwendung der beschriebenen Kolben-Zylinder-Einheiten kann besonders vorteilhaft eine Vorrichtung zur Kompensation von Aufbaubewegungen realisiert werden, da über diese Kolben-Zylinder-Einheiten eine einfache Kopplung des Aufbaus und der Fahrwerks realisiert werden kann.
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Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn das erste bis achte Volumen jeweils einen Fluidanschluss aufweist und das neunte bis zwölfte Volumen jeweils zwei Fluidanschlüsse aufweist.
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Auch kann es zweckmäßig sein, wenn das elfte Volumen mit dem ersten Volumen und mit dem sechsten Volumen in Fluidkommunikation steht, wobei das zwölfte Volumen mit dem zweiten Volumen und dem fünften Volumen in Fluidkommunikation steht, wobei das neunte Volumen mit dem dritten Volumen und dem achten Volumen in Fluidkommunikation steht, wobei das zehnte Volumen mit dem vierten Volumen und dem siebten Volumen in Fluidkommunikation steht.
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Über eine derartige Verschaltung der Volumen der Kolben-Zylinder-Einheiten kann eine über Kreuz geschaltete Verbindung zwischen der Kolben-Zylinder-Einheit am vorderen linken Rad und der Kolben-Zylinder-Einheit am hinteren rechten Rad, sowie der Kolben-Zylinder-Einheit am vorderen rechten Rad und der Kolben-Zylinder-Einheit am hinteren linken Rad erreicht werden. Über eine solche Verschaltung über Kreuz kann eine besonders gute Kompensation von Aufbaubewegungen erreicht werden.
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Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das Mittel zum Ausgleich von Aufbaubewegungen ein erstes Sensorelement aufweist, welches eine Nickbewegung des Aufbaus sensiert und/oder ein zweites Sensorelement aufweist, welches eine Wankbewegung des Aufbaus sensiert.
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Über Sensorelemente kann die Aufbaubewegung besonders einfach erfasst werden. Als Sensorelement sind beispielsweise Lagesensoren, Wegmessungssensoren, GPS-Sensoren oder ähnliches verwendbar.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Ausgleich von Aufbaubewegungen ein erstes Stellglied aufweist, welches in Abhängigkeit von der sensierten Nickbewegung eine Kraft und/oder ein Moment auf das Koppelelement ausübt und/oder ein zweites Stellglied aufweist, welches in Abhängigkeit von der sensierten Wankbewegung eine Kraft und/oder ein Moment auf das Koppelelement ausübt.
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Über die Stellglieder kann die benötigte Kraftkomponente zur aktiven Kompensation der Aufbaubewegungen erzeugt werden. Die Stellglieder können dabei beispielsweise durch mechanische Federn, hydraulische Elemente oder elektronische Aktuatoren realisiert werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn das erste Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement durch eine elektronische Einheit und/oder durch eine mechanische Einheit und/oder durch hydraulische Einheit gebildet ist.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, dass das erste Stellglied und/oder das zweite Stellglied durch eine elektronische Einheit und/oder durch eine mechanische Einheit und/oder durch hydraulische Einheit gebildet ist.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, kann es vorgesehen sein, dass die Kompensationseinheit derart gestaltet ist, dass der Kolben der fünften Kolben-Zylinder-Einheit und der Kolben der sechsten Kolben-Zylinder-Einheit gleichsinnig oder ungleichsinnig verschiebbar sind.
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Über eine gleichsinnige Verschiebung können beispielsweise leichte Nickanregungen kompensiert werden, über eine ungleichsinnige Verschiebung können leichte Wankbewegungen kompensiert werden, indem jeweils der Kolben der fünften und der sechsten Kolben-Zylinder-Einheit derart verschoben wird, dass eine Volumenveränderung an den Kolben-Zylinder-Einheiten, welche den Rädern zugeordnet sind, durch die Bewegung der Kolben der fünften und der sechsten Kolben-Zylinder-Einheit ausgeglichen wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Gedanke, eine Kopplung der Kolben-Zylinder-Einheiten vorzunehmen, sodass Tragfedern des Kraftfahrzeugs keine Wank- oder Nickmomente erzeugen. Dabei dienen beispielsweise Luftfedern als Tragfedern. Es ist aber auch denkbar, Stahlfedern als Tragfedern zu verwenden.
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Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn vier Luftfederelemente vorgesehen sind, die jeweils einem der Räder des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind, wobei die Luftfederelemente miteinander und/oder mit einem schaltbaren Zusatzvolumen in Fluidkommunikation stehen
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Über die Luftfederelemente und insbesondere das schaltbare Zusatzvolumen kann beispielsweise eine Reduzierung der Hubeigenfrequenz erreicht werden. Dies ist besonders dem Fahrkomfort bei niedrigen Quer- und Längsbeschleunigungen zuträglich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Kompensation von Aufbaubewegungen, welche durch vier erste Kolben-Zylinder-Einheiten gebildet ist, sowie durch eine Kompensationseinheit, welche durch eine fünfte und eine sechste Kolben-Zylinder-Einheit gebildet ist, wobei zusätzlich vier Luftfederelemente vorgesehen sind, die miteinander und mit einem Zusatzvolumen in Fluidkommunikation stehen,
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2 eine schematische Ansicht der Kompensationseinheit, wobei diese die fünfte und die sechste Kolben-Zylinder-Einheit aufweist, und die Kolben der fünften und der sechsten Kolben-Zylinder-Einheit über ein Koppelelement miteinander verbunden sind, wobei an dem Koppelelement Mittel zur Kompensation von Aufbaubewegungen angreifen,
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3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Kompensation von Aufbaubewegungen mit den ersten Kolben-Zylinder-Einheiten und der Kompensationseinheit, wobei in der Figur eine Normalstellung gezeigt ist, bei der keine Anregung auf die Vorrichtung einwirkt,
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4 eine Ansicht gemäß 3, wobei eine gleichmäßige Hubanregung dargestellt ist,
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5 eine Ansicht gemäß der 3, wobei eine fahrbahnerregte Nickanregung dargestellt ist,
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6 eine Ansicht gemäß 3, wobei die Kompensation von einer Nickanregung dargestellt ist,
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7 eine schematische Darstellung der Kompensationseinheit, wobei die Kompensation einer Nickanregung dargestellt ist,
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8 eine Ansicht gemäß 3, wobei eine fahrbahnerregte Wankanregung dargestellt ist,
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9 eine Ansicht gemäß 3, wobei die Kompensation einer Wankanregung dargestellt ist, und
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10 eine schematische Darstellung der Kompensationseinheit, wobei die Kompensation einer Wankanregung dargestellt ist.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 zur Kompensation von Aufbaubewegungen eines Kraftfahrzeuges. Die Vorrichtung 1 weist hierzu vier erste Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 auf, welche jeweils einem Rad des Kraftfahrzeuges zugeordnet sind. Jede dieser Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 weist einen Kolben 15, 18, 21, 24 auf. Diese Kolben 15, 18, 21, 24 sind innerhalb eines Zylinders der Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 axial beweglich. Beidseits der Kolben 15, 18, 21, 24 ist jeweils ein Volumen vorgesehen.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit 2 weist ein erstes Volumen 13 oberhalb des Kolbens 15 sowie ein zweites Volumen 14 unterhalb des Kolbens 15 auf. Die Kolben-Zylinder-Einheit 3 weist ein erstes Volumen 16 oberhalb des Kolbens 18 und ein zweites Volumen 17 unterhalb des Kolbens 18 auf. Die Kolben-Zylinder-Einheit 4 weist ein erstes Volumen 19 oberhalb und ein zweites Volumen 20 unterhalb des Kolbens 21 auf. Schließlich weist die vierte Kolben-Zylinder-Einheit 5 ein erstes Volumen 22 oberhalb und ein zweites Volumen 23 unterhalb des Kolbens 24 auf.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit 5 ist dabei im gezeigten Ausführungsbeispiel dem vorderen linken Rad zugeordnet, die Kolben-Zylinder-Einheit 2 ist dem vorderen rechten Rad zugeordnet, die Kolben-Zylinder-Einheit 3 ist dem hinteren rechten Rad zugeordnet und die Kolben-Zylinder-Einheit 4 ist dem hinteren linken Rad zugeordnet. Über die Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 und die Luftfedern 10 ist eine Verbindung des Fahrwerks mit dem Aufbau des Kraftfahrzeuges realisiert. Dadurch beeinflussen Veränderungen der Druckverhältnisse in den Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 die Bewegung des Aufbaus relativ zum Fahrwerk.
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Die Zuordnung der Kolben zu den einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten sowie die Volumen oberhalb und unterhalb der Kolben sind für alle nachfolgenden Figuren entsprechend der Bezeichnungen der 1.
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Jeweils benachbart zu den Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 sind Luftfedern 10 angeordnet. Die Luftfedern 10 stehen miteinander und mit einem schaltbaren Zusatzvolumen 11 in Fluidkommunikation. Über jeweils eine Luftfeder 10 und eine Kolben-Zylinder-Einheit 2, 3, 4, 5 wird das Fahrwerk mit dem Aufbau im Bereich eines Rades verbunden.
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Zentral in der Mitte der 1 ist eine Kompensationseinheit 6 dargestellt. Die Kompensationseinheit 6 besteht aus zwei zweiten Kolben-Zylinder-Einheiten 7, 8, die analog der ersten vier Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 ebenfalls jeweils ein erstes Volumen oberhalb eines Kolbens 27, 30 und ein zweites Volumen unterhalb eines axial im Zylinder beweglichen Kolbens 27, 30 aufweisen.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit 7 weist ein erstes Volumen 25 oberhalb und ein zweites Volumen 26 unterhalb des Kolbens 27 auf. Die Kolben-Zylinder-Einheit 8 weist ein erstes Volumen 28 oberhalb und ein zweites Volumen 29 unterhalb des Kolbens 30 auf.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit 5 steht mit der Kolben-Zylinder-Einheit 7 und der Kolben-Zylinder-Einheit 3 in Fluidkommunikation. Die Kolben-Zylinder-Einheit 2 steht mit der Kolben-Zylinder-Einheit 8 und der Kolben-Zylinder-Einheit 4 in Fluidkommunikation.
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Die Volumen 25, 26, 28, 29 der Kolben-Zylinder-Einheiten 7, 8 weisen jeweils zwei Fluidanschlüsse auf. Die übrigen Volumen 13, 14, 16, 17, 19, 20, 22 und 23 weisen jeweils nur einen Fluidanschluss auf.
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Die Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 sind über Kreuz miteinander verschaltet, so dass jeweils die dem linken vorderen Rad zugeordnete Kolben-Zylinder-Einheit 5 mit der dem rechten hinteren Rad zugeordneten Kolben-Zylinder-Einheit 3 verschaltet ist und die dem vorderen rechten Rad zugeordnete Kolben-Zylinder-Einheit 2 mit der dem hinteren rechten Rad zugeordnete Kolben-Zylinder-Einheit 4.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform steht das obere Volumen 22 der Kolben-Zylinder-Einheit 5 mit dem oberen Volumen 25 der Kolben-Zylinder-Einheit 7 in Fluidkommunikation. Das obere Volumen 25 steht weiterhin mit dem unteren Volumen 17 in Fluidkommunikation. Das obere Volumen 16 steht seinerseits mit dem unteren Volumen 26 in Fluidkommunikation, wobei das untere Volumen 26 ebenfalls mit dem unteren Volumen 23 in Fluidkommunikation steht.
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Eine Verstellung des Kolbens 24, 27 oder 18 führt dementsprechend zu einer Volumenveränderung und damit zu einer Fluidverschiebung, was eine Bewegung der jeweils anderen Kolben 24, 27, 18 der miteinander in Fluidkommunikation stehenden Kolben-Zylinder-Einheiten 5, 7, 3 nach sich zieht.
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Das obere Volumen 13 steht mit dem oberen Volumen 28 in Fluidkommunikation, wobei das obere Volumen 28 ebenfalls mit dem unteren Volumen 20 in Fluidkommunikation steht. Das obere Volumen 19 steht seinerseits mit dem unteren Volumen 29 in Fluidkommunikation, wobei das untere Volumen 29 ebenfalls mit dem unteren Volumen 14 in Fluidkommunikation steht.
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Das Verschieben eines Kolbens 15, 30 oder 21 führt somit ebenfalls zu einer Volumenveränderung und zu einer Fluidverschiebung, was eine Bewegung der jeweils anderen Kolben 15, 30, 21 zur Folge hat.
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Die Kolben-Zylinder-Einheit 7 bzw. der Kolben 27 ist mit dem Kolben 30 der Kolben-Zylinder-Einheit 8 über ein Koppelelement 9 gekoppelt. Dieses Koppelelement 9 ist an einer Lagerung 12 gelagert. Das Koppelelement 9 gestattet entlang der Lagerung 12 eine gleichsinnige Verschiebung der Kolben 30 bzw. 27 ebenso wie eine ungleichsinnige Verschiebung der Kolben 30 und 27. Hierzu ist das Koppelelement 9 entlang der Lagerung 12 in einer horizontalen Bewegung verschiebbar. Ebenso ist das Koppelelement 9 um die Lagerung 12 verdrehbar.
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Das Koppelelement 9 kann beispielsweise durch ein mechanisches Bauteil ausgeführt sein. In alternativen Ausführungsformen kann es auch vorgesehen sein, dass die Kopplung der Kolben über eine elektronische Schaltung bzw. über eine Verwendung von Aktuatoren oder hydraulischen Stellgliedern geschieht.
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Der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung 1 zur Kompensation von Aufbaubewegung sowie die Anordnung der einzelnen Bauteile innerhalb dieser Vorrichtung 1 bleiben über die weiteren folgenden 2 bis 10 unverändert. Auf eine detaillierte Beschreibung, beispielsweise der Kolben-Zylinder-Einheiten sowie deren Verschaltung untereinander, wird im Folgenden verzichtet.
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Die 2 zeigt eine schematische Ansicht der Kompensationseinheit 50. Die in 2 gezeigte Kompensationseinheit 50 ist eine Detaildarstellung der in 1 bereits angedeuteten Kompensationseinheit 6.
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Die in 1 gezeigte Lagerstelle 12 ist in 2 detaillierter dargestellt. Die Lagerung des Koppelelementes 9 erfolgt eigentlich über vier Lagerstellen 46, 47, 48, 49. Die Lagerungen 46, 47 erlauben eine vertikale Bewegung des Koppelelementes 9. Das Koppelelement 9 ist über mehrere Federelemente 40, 41, 42, 43 gegenüber den Lagerungen 46, 47, 48, 49 abgestützt. Die Lagerungen 48 bzw. 49 ermöglichen eine Bewegung der Federelemente 43 und 41 entlang der jeweiligen Bahnkurve 44 bzw. 45.
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Die Federelemente 41 und 43 sind bereits komprimiert. Durch eine Auslenkung des Federelementes 43, wird die Wirkrichtung der Kraft des Federelements 43 aufgrund seiner Führung, auf der relativ zur Kompensationseinheit 50 ortsfesten Bahnkurve 45, verändert. Dadurch entsteht eine Federkraft, welche auf die Kompensationseinheit wirkt.
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Insbesondere entsteht durch die Federkraft des Federelementes 43 ein Moment um den Drehpunkt 76. Das Moment ist dabei durch die Größe der Federkraft des Federelementes 43 und den Hebelarm zwischen dieser Federkraft und dem Drehpunkt 76 bestimmt.
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Durch eine Auslenkung des Federelementes 41 infolge einer Nickanregung, wird das Federelement 41 komprimiert, wodurch eine auf das Koppelelement 9 wirkende Kraftkomponenten 61 erzeugt wird, die einer Bewegung des Koppelelementes 9 nach unten entgegenwirkt.
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Auf die ganze Kompensationseinheit 50 wirkt aufgrund der Federelemente eine Vorspannung. Aus funktionellen Gründen müssen die Federelemente 41 und 43 vorgespannt sein. Die genaue Funktionsweise der Kompensationseinheit 50 wird in den nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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Die 3 zeigt eine Anordnung der Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5, 7, 8 in einem Grundzustand, in dem keine Anregung auf das Fahrzeug einwirkt.
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Die Kolben 15, 18, 21, 24 sowie 27 und 30 befinden sich hierbei innerhalb der Zylinder in einer mittigen Position und die oberen Volumen und unteren Volumen sind in etwa gleich groß. Das Koppelelement 9 ist in seiner Ausgangslage an der Lagerung 12 gelagert und ist nicht ausgelenkt, da insbesondere die Kolben 27 und 30 sich auf gleichem Niveau befinden.
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Die Drücke in den Volumen 5, 25 und 17, sowie in den Volumen 23, 27 und 16, sowie in den Volumen 13, 28 und 20, sowie in den Volumen 14, 29 und 19 sind jeweils identisch. Dies ergibt sich durch die Fluidkommunikation der Volumen untereinander und gilt zumindest für stationäre oder annähernd stationäre Zustände. Bei dynamischen Vorgängen kann es aufgrund der Trägheit des Fluids zu zeitweisen Druckunterschieden in den jeweiligen Volumen kommen.
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Die 4 zeigt die Vorrichtung 1, während sie durch eine gleichmäßige Hubanregung angeregt wird. Unter einer gleichmäßigen Hubanregung ist eine Bewegung des Fahrzeugaufbaus in vertikaler Richtung zu verstehen, welche an allen vier Rädern und damit auch an allen vier Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 identisch ist.
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Die Hubanregung führt zu einem Einfahren der Kolben 15, 18, 21, 24 in die entsprechenden Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5. Dadurch werden die oberen Volumen 13, 16, 19, 22 jeweils verkleinert und die unteren Volumen 14, 17, 20, 23 jeweils vergrößert.
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Das aus dem oberen Volumen 22 verdrängte Fluid strömt in das obere Volumen 25 und von dort weiter in das untere Volumen 17. Durch die nach oben gerichtete Bewegung des Kolbens 18 wird gleichsam aus dem oberen Volumen 16 Fluid verdrängt, welches in das untere Volumen 26 strömt. Vom unteren Volumen 26 strömt das Fluid weiter in das untere Volumen 24. Auf diese Weise bleiben die Volumen 25, 26 der Kolben-Zylinder-Einheit 7 unverändert.
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Die Veränderung der Kolben 15, 21 für die Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 4 sowie die zwischengeschaltete Kolben-Zylinder-Einheit 8 finden analog statt.
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Das Koppelelement 9 bleibt in seiner Lage unverändert über die Lagerung 12 gelagert. Die Kolben 27 bzw. 30 der Kolben-Zylinder-Einheiten 7 bzw. 8 bleiben unverändert in ihrer Mittellage, welche der Ausgangslage, wie sie in 3 gezeigt ist, entspricht.
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Die Drücke in den oberen Volumen 25, 28 und die Drücke in den unteren Volumen 26, 29 der Kolben-Zylinder-Einheiten 7, 8 sind miteinander im Gleichgewicht.
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Das Gesamtvolumen der miteinander verschalteten Volumen 22, 25 und 17, sowie 23, 26 und 16, sowie 13, 28 und 20 und 14, 29 und 19 bleibt zu jeder Zeit identisch. Dies beruht auf der Tatsache, dass innerhalb den Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und den sie verbindenden Fluidleitungen vorzugsweise ein nicht kompressibles Fluid strömt.
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Die 5 zeigt einen Zustand der Vorrichtung 1, bei der eine Nickanregung durch die Fahrbahn stattfindet. Bei einer Nickanregung werden die auftretenden Radlasten an den beiden Vorderrädern im Vergleich zu den beiden Hinterrädern verändert. Im Falle einer Nickanregung durch die Fahrbahn ist diese Veränderung relativ gering im Vergleich zu einer Nickanregung, wie sie beispielsweise durch ein Brems- oder Beschleunigungsmanöver verursacht wird.
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Diese sich verändernden Radlasten wirken sich wie in 5 dargestellt durch eine Verstellung der Kolben 15 und 24 der Kolben-Zylinder-Einheiten 2 bzw. 5, welche den Vorderrädern zugeordnet sind, und den Kolben 18, 21 der Kolben-Zylinder-Einheiten 3, 4, welche den Hinterrädern zugeordnet aus. Durch die Verstellung der Kolben 15, 24 wird das Fluid aus den jeweils oberen Volumen 13, 22 verdrängt. Das Fluid strömt in die jeweils oberen Volumen 28 bzw. 25. Die Kolben 18 bzw. 21 bewegen sich entgegensetzt der Kolben 15, 24. Dadurch wird das obere Volumen 16 bzw. 19 vergrößert und das untere Volumen 17 bzw. 20 verkleinert. Da das obere Volumen 16 mit dem unteren Volumen 26 in Fluidkommunikation steht und das obere Volumen 19 ebenso mit dem unteren Volumen 29 in Fluidkommunikation steht und gleichzeitig die Fluidmenge insgesamt unverändert bleibt, wird diese Veränderung der Kolben 15, 18, 21, 24 durch ein gleichgerichtetes nach unten Fahren der Kolben 27 bzw. 30 der Kompensationseinheit 6 kompensiert. Das Koppelelement 9 ist im Vergleich zur Grundstellung, welche in 3 gezeigt ist, in Richtung des translatorischen Freiheitsgrades ausgelenkt aufgrund der gleichsinnigen Bewegung der Kolben 27 und 30. Das bedeutet es findet keine rotatorische Auslenkung statt.
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Die Verschiebung der Kolben 27, 30 kompensiert somit die Volumenänderung in den Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5, welche aufgrund der Radlastveränderung erfolgen.
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Die 6 zeigt eine Abbildung der Vorrichtung 1, wobei keine Volumenänderung in den Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 stattfindet, sondern die Druckänderung durch eine zusätzlich aufgebrachte Kraftkomponente 61 am Koppelelement 9 kompensiert wird. Über diese zusätzliche Kraftkomponente 61 wird die Radlastverschiebung, welche aufgrund des Nickens am Fahrzeug entsteht, vollständig kompensiert. Der Aufbau bleibt daher in einer ruhigen Mittellage.
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Aufgrund der Kompensation durch die Kraftkomponente 61 sind sowohl alle Kolben 15, 18, 21, 24 der den Rädern zugeordneten Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 als auch die Kolben 27 und 30 der Kompensationseinheit 6 in ihrer Mittellage, welche dem nicht angeregten Ausgangszustand der 3 entsprechen.
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Das Entstehen der Kraftkomponente 61 wird in der nachfolgenden 7 erläutert.
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An den Kolben 15, 18, 21 und 24 sind Kraftkomponenten 55, 56, 57 und 58 dargestellt. Diese entsprechen der Radlastveränderung infolge der fahrerinduzierten Nickanregung. Die Kraftkomponenten 55, 56, 57 und 58 sind dabei wie in den Formeln dargestellt proportional zu den innerhalb der Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 entstehenden Druckdifferenzen zwischen dem jeweils oberen Volumen 13, 16, 19, 22 und dem jeweils unteren Volumen 14, 17, 20, 23.
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Das Koppelelement 9 ist im Unterschied zur nicht kompensierten Nickanregung der 5 nicht aus seiner Ausgangslage, wie sie in 3 gezeigt ist, ausgelenkt. Die Kraftkomponente 61 wirkt derart auf das Koppelelement 9, dass die beiden Kolben 27 bzw. 30 in ihrer Ausgangslage verbleiben.
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Je nach der Arbeitsgeschwindigkeit der Kompensationseinheit 50 kann es passieren, dass das Koppelement 9 infolge der Nickanregung zuerst über die beiden Kolben 27 und 30 nach unten gedrückt wird, bevor eine Kompensation durch die Kraftkomponenten 61 stattfindet und das Koppelelement 9 und damit die Kolben 27 und 30 wieder zurück in ihre Ausgangslage zurück verschoben werden.
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Eine möglichst hohe Arbeitsgeschwindigkeit, die eine möglichst kurze Zeitspanne zwischen der Sensierung einer Nickbewegung und dem Erzeugen einer kompensierenden Kraftkomponente vorsieht, ist besonders wünschenswert.
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Insgesamt wird über diese Verschaltung der Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5, 6, 7, und 8 und die zusätzliche Einbringung einer Kraftkomponente 61 auf das Koppelelement 9 eine Bewegung des Aufbaus verhindert.
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Die Kraftkomponente 61, welche über den Formelbezug FNick dargestellt ist, ist proportional zu den sich ändernden Druckverhältnissen in den jeweiligen Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 5, welche ihrerseits proportional zu den sich ändernden Radlasten ΔFz sind. Über die zusätzlich eingebrachte Kraftkomponente 61 werden folglich die Bewegungen, die aufgrund der sich ändernden Radlasten 55 und 58 entstehen würden, kompensiert, wodurch der Aufbau insgesamt in einer unveränderten Mittellage bleibt.
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Die 7 zeigt eine Detailansicht der Kompensationseinheit 50, wie sie bereits in der 2 dargestellt wurde. Die 7 zeigt einen Zustand der Kompensationseinheit 50, in dem eine zusätzliche Kraftkomponente 61 erzeugt wird, welche eine Kompensation einer Nickbewegung dient. Die Kompensationseinheit 50 zeigt damit die Kompensation der Anregung, wie sie bereits in der 6 gezeigt ist.
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Wie bereits in 6 dargestellt, ist die Kraftkomponente 61 proportional zu den in den Kolben-Zylinder-Einheiten entstehenden Druckdifferenzen, welche proportional zu den Radlaständerungen der Räder sind.
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Wie bereits in 2 angedeutet, ist das Federelement 41 vorgespannt. Durch eine Verschiebung der Federlagerung entlang der Bahnkurve 44 wird die Wirkrichtung der Kraft geändert. Dadurch ergibt sich ein Anteil entlang des translatorischen Freiheitsgrades, welcher dem Kraftpfeil 61 entspricht.
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Diese Kraftkomponente 61 gleicht gleichsam die Bewegung des Koppelelementes 9 nach unten aus, wodurch das Koppelelement 9 in der Grundlage in einer Mittelstellung verbleibt. Wie bereits vorher beschrieben, ist der Grad der tatsächlich stattfindenden Bewegung des Koppelelementes 9 abhängig von der Arbeitsgeschwindigkeit der Kompensationseinheit 50.
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Das Federelement 41 ist, wie bereits erwähnt, vorgespannt und die Kraft 61 wirkt in Richtung der Ausgangslage und nicht in Richtung des Freiheitsgrades. Die Kraftkomponente 61 wird erzeugt, indem die Lagerung 48 des Federelementes 41 sich entlang der Bahnkurve 44 nach unten bewegt. Da die Kraftwirkungslinie des Federelementes 41 jedoch nicht entlang der zulässigen Bewegungsrichtung des Koppelelementes 9 liegt, ergibt sich ein nach oben gerichteter Kraftanteil 61 der Kraft 60 aus dem sin(α) der Kraft 60, welche entlang des Federelementes 41 wirkt. Der Winkel α ist dabei der Winkel zwischen der Kraft 60, welche die Hypotenuse in dem Kraftdreieck bildet, und der Gegenkathete, welche im rechten Winkel zu der Kraftkomponente 61 steht. Die Kraftkomponente 61 entspricht dabei der Ankathete des Kraftdreiecks.
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Nur diese Kraftkomponente 61 der Kraft 60 kann in translatorischer Richtung auf das Koppelelement 9 einwirken. Eine andere Bewegung des Koppelelementes 9 ist über die übrigen Lagerungen, insbesondere die Lagerungen 46 und 47 unterbunden.
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Als Federelemente können, wie in der 7 gezeigt, mechanische Federn eingesetzt werden. In alternativen Ausführungen können jedoch auch Aktuatoren, welche über elektrische Ansteuerungen verstellt werden, sowie Hydraulikkomponenten verwendet werden. Die Federelemente können dabei mechanisch oder auch elektronisch über eine Steuereinheit angesteuert werden. Wichtig ist dabei, dass die Kraft 61 erzeugt wird. Im Fall von elektrischen oder hydraulischen Aktuatoren können diese direkt in Wirkrichtung angeordnet sein.
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Die 7 dient zur Verdeutlichung des Entstehens der einzelnen Kraftkomponenten und besitzt ihrerseits keinen beschränkenden Charakter für die Ausführungsform der Kompensationseinheit 50. Die Kraft 60 ist in der 7 auch als FNickspeicher bezeichnet.
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Die 8 zeigt die Vorrichtung 1 in einem Zustand, in dem das Fahrzeug eine Wankanregung über die Fahrbahn erfährt. In der 8 findet wie auch in der 5 keine aktive Kompensation der Wankbewegung statt.
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Durch ein Wanken des Fahrzeugaufbaus verändern sich die Radlasten von der linken Fahrzeugseite zur rechten Fahrzeugseite. Während sich die Radlasten auf einer der Fahrzeugseiten erhöhen, erniedrigen sich im gleichen Maße die Radlasten auf der gegenüberliegenden Fahrzeugseite.
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In der 8 ist der Druck im oberen Volumen 22 sowie im oberen Volumen 19 der Kolben-Zylinder-Einheiten 5 bzw. 4 erhöht, wodurch das Fluid in den jeweils unteren Volumen 23 bzw. 20 verdrängt wird. Über die Kolben-Zylinder-Einheiten 7 und 8 wird entsprechend in den rechten Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3 jeweils das obere Volumen 13 bzw. 16 verkleinert, während das untere Volumen 14 bzw. 17 vergrößert wird. Die Kolben 24 bzw. 21 der linken Kolben-Zylinder-Einheiten 5, 4 werden nach unten verdrängt, während die Kolben 15 bzw. 18 der rechten Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3 nach oben verdrängt werden.
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Um die Volumenänderung in den einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 auszugleichen, werden die Kolben 27 bzw. 30 der zentralen Kolben-Zylinder-Einheiten 7 bzw. 8 ungleichsinnig verfahren. Der Kolben 27 wird dabei nach unten verfahren, während der Kolben 30 innerhalb der Kolben-Zylinder-Einheit 8 nach oben verfahren wird.
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Dadurch ergibt sich eine Schrägstellung des Koppelelementes 9 um den Drehpunkt der Lagerung 12.
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Die 9 zeigt schließlich einen Zustand der Vorrichtung 1, bei dem über eine aktive Wankkompensation wieder alle Kolben 15, 17, 21, 24 der ersten vier Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5 und auch die Kolben 27 bzw. 30 der zentralen Kolben-Zylinder-Einheiten 7 und 8 in ihrer Mittellage stehen, welche der Ausgangsstellung der 3 entsprechen.
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Die Veränderung der Radlasten durch die Wankanregung in 9 ist proportional zu der Differenz der Drücke des jeweils oberen Volumens zum unteren Volumen der einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 3, 4, 5. Diese Druckdifferenzen sind jeweils wieder proportional zu den Radlastveränderungen ΔFz welche über die Kräfte 70, 71, 72 und 73 dargestellt sind.
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Über das Einbringen eines zusätzlichen Momentes 74 wird erreicht, dass das Koppelelement 9 keine Verdrehung um die Lagerung 12 erfährt. Die Kolben 27 bzw. 30 der zentralen Kolben-Zylinder-Einheiten 7 bzw. 8 verbleiben ebenfalls in ihrer Mittellage, welche der Ausgangsstellung der 3 entspricht.
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Das entstehende Moment 74, welches auch als MWank bezeichnet ist, ist dabei proportional zu den sich erhöhenden Drücken des oberen Volumens 22 und des oberen Volumens 19 der linken Seite sowie des unteren Volumens 14 und des unteren Volumens 17 der rechten Seite. Ebenso ist es proportional zu den sich erniedrigenden Drücken des unteren Volumens 23 und des unteren Volumens 20 der linken Seite sowie des oberen Volumens 13 bzw. des oberen Volumens 16 der rechten Seite. Eine genaue Entstehung des Momentes 74 bzw. MWank wird in der 10 erläutert.
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Die 10 zeigt eine Detailansicht der Kompensationseinheit 50, wie sie bereits in der 2 und der 7 gezeigt wurde. Die Bezugszeichen stimmen mit den vorausgegangenen Darstellungen der Kompensationseinheit 50 überein.
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Das Moment 74 wird über eine Auslenkung des Federelementes 43 erreicht. Dieses Federelement 43 ist vorgespannt und wird entlang der Bahnkurve 45 aus der Vertikalen ausgelenkt. Eine Federkraft 75 des vorgespannten Federelements 43 wird auch als FWankspeicher bezeichnet und liegt durch die Vorspannung des Federelements 43 bereits an. Durch die Auslenkung entlang der Bahnkurve 45 verändert sich die Wirkrichtung der Federkraft 75 entlang eines Freiheitsgrades. Da das Koppelelement 9 weiterhin über die Lagerungen 46 und 47 lediglich eine vertikale Bewegung sowie eine Drehung um den Drehpunkt 76 ausführen kann, kann auf das Koppelelement 9 infolge der Kraft 75 nur ein Moment 74 wirken.
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Dieses Moment 74 resultiert aus der Kraft 75 multipliziert mit dem Hebelarm r, der sich zwischen dem Kraftvektor der Kraft 75 und dem Drehpunkt 76 einstellt. Der Hebelarm r steht dabei im rechten Winkel zu der Kraft 75 und schneidet den Drehpunkt 76.
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Das Moment 74 wirkt dabei derart auf das Koppelelement 9, dass es in seiner neutralen Ausgangslage entsprechend der 2 verbleibt. Das Moment 74 wirkt damit einer Verdrehung des Koppelelementes 9 entgegen, welche durch eine Wankbewegung analog der 8 entstehen würde. Auf diese Weise findet eine Kompensation statt, wodurch der Aufbau des Fahrzeugs insgesamt in einer neutralen Mittellage verbleibt.
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Auch hier ist der Grad der tatsächlichen Auslenkung und Bewegung des Koppelelementes 9 insbesondere von der Arbeitsgeschwindigkeit der Kompensationseinheit 50 abhängig.
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Die Federelemente der 10 können, wie bereits in 7 beschrieben, durch einfache mechanische Federn, durch Hydraulikkomponenten oder auch durch elektronisch angesteuerte Aktuatoren gebildet werden, welche entsprechende Kräfte auf die Kompensationseinheit 50 ausüben. Wichtig ist dabei, dass die Kraft 75 erzeugt wird. Im Fall von elektrischen oder hydraulischen Aktuatoren kann das Moment 74 direkt um den Drehpunkt 76 wirken.
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Alle in den 1 bis 10 gezeigten Darstellungen dienen lediglich der Verdeutlichung des Prinzips. Die 1 bis 10 haben keinen beschränkenden Charakter hinsichtlich der Ausgestaltung der einzelnen Komponenten, bzw. deren Anordnung zueinander.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Kompensation von Aufbaubewegungen
- 2
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 3
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 4
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 5
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 6
- Kompensationseinheit
- 7
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 8
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 9
- Koppelelement
- 10
- Luftfeder
- 11
- Zusatzvolumen
- 12
- Lagerung
- 13
- Volumen
- 14
- Volumen
- 15
- Kolben
- 16
- Volumen
- 17
- Volumen
- 18
- Kolben
- 19
- Volumen
- 20
- Volumen
- 21
- Kolben
- 22
- Volumen
- 23
- Volumen
- 24
- Kolben
- 25
- Volumen
- 26
- Volumen
- 27
- Kolben
- 28
- Volumen
- 29
- Volumen
- 30
- Kolben
- 40
- Federelement
- 41
- Federelement
- 42
- Federelement
- 43
- Federelement
- 44
- Bahnkurve
- 45
- Bahnkurve
- 46
- Lagerung
- 47
- Lagerung
- 48
- Lagerung
- 49
- Lagerung
- 50
- Kompensationseinheit
- 55
- Kraft
- 56
- Kraft
- 57
- Kraft
- 58
- Kraft
- 59
- Kraft
- 60
- Kraftkomponente
- 61
- Kraft
- 70
- Kraft
- 71
- Kraft
- 72
- Kraft
- 73
- Kraft
- 74
- Moment
- 75
- Kraft
- 76
- Drehpunkt
