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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines an einem Schwingungsdämpfer, insbesondere an einem im Fahrwerk eines Fahrzeugs vorgesehenen Schwingungsdämpfer, vorgesehenen Piezoelements oder ähnlichen Aktors, mit welchem durch Anlegen einer elektrischen Spannung solchermaßen gerichtete Kräfte in den Schwingungsdämpfer eingeleitet werden, dass der zwischen relativ zueinander bewegbaren Elementen des Schwingungsdämpfers herrschenden Haftreibung entgegengewirkt wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen entsprechenden Schwingungsdämpfer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4. Zum Stand der Technik wird auf die
DE 43 20 261 A1 verwiesen.
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Zur Schwingungsdämpfung in Fahrzeug-Radaufhängungen kommen insbesondere sog. Gasdruck-Stoßdämpfer in Ein- oder Zweirohrausführung zum Einsatz. Beiden Varianten gemeinsam ist ein Gasvolumen unter erhöhtem Druck, welches die Kavitationsneigung des im Dämpfer befindlichen Hydraulikmediums an den Ventilen des Schwingungsdämpfers reduzieren soll. Dieser Innendruck erfordert eine gewisse radiale Vorspannung der Dichtungs-Führungseinheit des Schwingungsdämpfers, um dessen Dichtheit über der Lebensdauer sicherzustellen. Eine weitere Dichtung am Dämpferkolben dichtet das Hydraulikvolumen auf der Druckseite gegen die Saugseite des Dämpfers ab.
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An beiden genannten Dichtungen eines Schwingungsdämpfers tritt ein sog. stick-slip-Effekt auf, da die radiale Vorspannung der Dichtung den Hydraulikfilm aus dem jeweiligen Dichtungsspalt verdrängt. Dieser stick-slip-Effekt bewirkt, dass sich der Kolben des Schwingungsdämpfers erst nach Überwinden einer bestimmten Losbrechkraft relativ zum den Kolben führenden Innenrohr des Dämpfers bewegt. Ist diese Losbrechkraft überwunden, so erfolgt die weitere Bewegung des Dämpfer-Kolbens auf dem Kraftniveau der insbesondere im Fahrversuch ermittelten Auslegung bzw. Abstimmung des Schwingungsdämpfers; das Niveau der Losbrechkraft liegt jedoch höher und behindert das Anfedern in der Fahrzeug-Radaufhängung beim Überfahren von kleinen Unebenheiten. Diese sog. Anfeder-Unwilligkeit wirkt sich nachteilig auf den Fahrkomfort aus, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen sei, dass diese soweit beschriebene Problematik besonders intensiv bei den genannten Gasdruck-Stoßdämpfern anzutreffen ist, jedoch in geringerem Maße auch bei „einfachen” Schwingungsdämpfern, bei denen das von der einen Seite eines Dämpfer-Kolbens zu dessen anderer Seite strömende Fluid nicht unter zusätzlichem (von dem genannten Gasvolumen aufgebrachten) Druck steht.
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In der eingangs genannten
DE 43 20 261 A1 ist ein Verfahren zur Reibkraftverminderung insbesondere bei einem Schwingungsdämpfer beschrieben, welcher ein mit einem Dämpfmedium gefülltes Zylinderrohr umfasst, in dem ein Kolben an einer Kolbenstange axial verschiebbar angeordnet ist, und weiterhin eine Kolbenstangenführung aufweist, die das Zylinderrohr an der Kolbenstangenaustrittsseite verschließt, ferner eine Kolbenstangendichtung besitzt, die den Arbeitsraum des Zylinderrohres gegenüber der Atmosphäre abdichtet, und als besonderes Element einen hochfrequenten Schwingkörper enthält, der unabhängig von einer betriebsbedingten Relativbewegung zwischen der Kolbenstange und dem Zylinderrohr eine zweite Relativbewegung zwischen den der Kolbenstange bzw. dem Kolben und/oder den dem Zylinderrohr zugeordneten Dichtungen erzeugt.
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Der genannte hochfrequente Schwingkörper dieses bekannten Standes der Technik ist ein Piezo-Schwingkörper und ist somit durch bekannte Piezoelemente gebildet, die bekanntlich unter Nutzung des Piezoeffekts bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine geringfüge Längenänderung erfahren und somit eine geringe mechanische Bewegung ausführen. Auch ein Schwingungsdämpfer gemäß der vorliegenden Erfindung enthält zumindest ein solches Piezoelement, wobei dieser Begriff für eine geeignete Anhäufung geeignet vieler Piezokristalle oder dgl. steht, mittels dessen bzw. deren eine gewünschte geringfügige Bewegung (oder Längenänderung) erzeugt werden kann. Zur Verallgemeinerung wird vorliegend von einem „ähnlichen Aktor” gesprochen, der sich in analoger Weise wie ein Piezoelement verhält und der anstelle eines Piezoelements so wie dieses in einem erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer vorgesehen sein kann.
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Im genannten Stand der Technik (
DE 43 20 261 A1 ) ist beschrieben, dass aufgrund einer Ansteuerung des dort genannten Schwingkörpers mittels eines Frequenzgenerators stets die genannte zweite Relativbewegung zwischen Elementen des Schwingungsdämpfers stattfindet, welche die Reibung zwischen den die genannte erste Relativbewegung ausführenden Elementen des Schwingungsdämpfers immer auf dem Niveau der Gleitreibung halten soll. Damit kann der zuvor beschriebene stick-slip-Effekt grundsätzlich vermieden werden.
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Wollte man jedoch diesen bekannten Stand der Technik an heutigen zum Verkauf kommenden Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen umsetzen, so wäre diese Maßnahme wegen des relativ hohen zusätzlichen Energieverbrauchs in Verbindung mit der Ansteuerung der Piezoelemente zum Scheitern verdammt. Diesbezüglich eine Abhilfemaßnahme aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass dann an das in der Kraftflussstrecke des Schwingungsdämpfers liegende Piezoelement eine elektrische Spannung angelegt wird, wenn dieses anschließend an eine Ruhephase, in der das Piezoelement weder mit elektrischer Spannung beaufschlagt wurde noch selbst elektrische Spannung aufgrund einer Krafteinwirkung auf das Piezoelement erzeugt hat, selbst elektrische Spannung aufgrund einer Krafteinwirkung auf das Piezoelement erzeugt.
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Für einen Schwingungsdämpfer nach Anspruch 4 ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Piezoelement oder der Aktor in der Kraftflussstrecke des Schwingungsdämpfers liegend angeordnet ist und nur bedarfsabhängig angesteuert, d. h. mit elektrischer Spannung versorgt wird. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der jeweiligen Unteransprüche.
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Gemeinsames Grundprinzip des vorliegenden unabhängigen Verfahrensanspruchs und des vorliegenden unabhängigen Vorrichtungsanspruchs ist eine Reduzierung des Energieverbrauchs in einem mit einem Piezoelement oder dgl. zur Überwindung des geschilderten stick-slip-Effekts ausgerüsteten Schwingungsdämpfers. Diese Reduzierung des Energieverbrauchs (gegenüber dem gewürdigten Stand der Technik) resultiert erstens aus einer bedarfsabhängigen Ansteuerung des Piezoelements oder des ähnlichen Aktors und zweitens aus einer günstigeren Anordnung des Piezoelements oder des ähnlichen Aktors. Dabei wird der Einfachheit halber im weiteren nur noch von einem Piezoelement gesprochen, ohne dadurch ähnliche Aktoren mit analogen erfindungsrelevanten Eigenschaften auszuschließen.
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Indem das Piezoelement nur noch dann mit elektrischer Spannung beaufschlagt wird, wenn ein Haften zwischen den gegeneinander bewegten Elementen des Schwingungsdämpfers aufgebrochen werden soll, weil aufgrund eines Einfeder-Vorgangs oder Ausfeder-Vorgangs im Fahrwerk des Fahrzeugs eine Relativbewegung zwischen diesen Elementen erfolgen soll, wird naturgemäß signifikant weniger elektrische Energie benötigt als wenn diese betroffenen Elemente kontinuierlich im „Gleitreibungs-Zustand” gehalten werden, also auch dann, wenn kein Ein- oder Ausfedervorgang erfolgt, weil das Fahrzeug auf einer äußerst ebenen glatten Fahrbahn geradeaus dahin fährt, was im Anspruch 1 als Ruhephase bezeichnet ist und insbesondere auf Autobahnen und Landstraßen ein durchaus häufiger Betriebszustand sein kann.
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Ein Bedarf der Aktivierung, d. h. der Beaufschlagung des Piezoelements mit elektrischer Spannung kann dabei auf verschiedene Weise festgestellt werden, so beispielsweise mittels vorausschauender Fahrbahnanalyse (Anspruch 7), wozu lediglich beispielshalber auf die
DE 197 30 414 A1 verwiesen wird. Grundsätzlich ist es auf verschiedene bekannte Weise möglich, Unebenheiten vor den Rädern des Fahrzeugs vorausschauend zu erkennen. Ein Bedarf der Aktivierung, d. h. der Beaufschlagung des Piezoelements mit elektrischer Spannung kann aber auch anhand einer geeigneten Kraftmessung erkannt werden (Anspruch 8), d. h. mittels einer geeignet angeordneten Kraftmesseinheit im Fahrwerk des Fahrzeugs kann festgestellt werden, dass ein Einfedern oder Ausfedern, d. h. ein Radhub gegenüber dem Fahrzeug-Aufbau ansteht, woraufhin an das Piezoelement eine elektrische Spannung angelegt wird, mit welcher die im Rahmen eines Einfeder- oder Ausfeder-Vorgangs relativ zueinander bewegten Elemente des Schwingungsdämpfers geringfügig gegeneinander bewegt werden und damit ein mögliches Haften aufgebrochen wird.
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Indem das Piezoelement abweichend vom gewürdigten Stand der Technik (
DE 43 20 261 A1 ) in der Kraftflussstrecke des Schwingungsdämpfers liegend angeordnet ist, wird dessen Wirksamkeit (und somit der Wirkungsgrad) signifikant gesteigert. Dabei kann das Piezoelement (oder ein ähnlicher Aktor) zwischen dem Kolben des Schwingungsdämpfers und dessen Abstützung an der Kolbenstange angeordnet sein und/oder es kann das Piezoelement oder der Aktor zwischen dem Innenrohr und dem Deckel des Schwingungsdämpfers angeordnet sein. In diesem Zusammenhang wird davon ausgegangen, dass der Aufbau und somit die Bauelemente eines typischen Schwingungsdämpfers dem Fachmann ausreichend genau genug bekannt ist/sind; im übrigen wird hierzu noch auf die beigefügte und an späterer Stelle kurz erläuterte Prinzipskizze verwiesen. Der Vollständigkeit halber sei jedoch bereits an dieser Stelle die besagte Kraftflussstrecke des Schwingungsdämpfers aufgezeigt: Kräfte werden zwischen dem dem Schwingungsdämpfer zugeordneten Rad und dem Fahrzeug-Aufbau über die Kolbenstange und den daran abgestützten Kolben des Schwingungsdämpfers auf das im Schwingungsdämpfer befindliche Dämpfungsfluid (vorliegend an anderer Stelle auch Hydraulikmedium genannt) übertragen und von diesem auf das den Kolben führende Innenrohr, welches unter Zwischenlage einer Dichtung von einem üblicherweise die Kolbenstange führenden Deckel verschlossen ist, der an einem das Innenrohr umgebenden Gehäuse befestigt ist. Üblicherweise ist dabei das Gehäuse am Radträger abgestützt und die Kolbenstange am Fahrzeug-Aufbau, jedoch kann dies auch umgekehrt gestaltet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 das in der Kraftflussstrecke des Schwingungsdämpfers liegend angeordnete Piezoelement als Kraftmesseinheit zur Erkennung eines Bedarfs im oben beschriebenen Sinne, nämlich zur Aktivierung des Piezoelements, verwendet wird. Bekanntlich bewirkt der Piezoeffekt bei einem Piezoelement die Abgabe von elektrischer Spannung bzw. von geringer elektrischer Energie durch das Piezoelement, wenn auf dieses eine ausreichend große Kraft einwirkt. Wenn nun ein mit einem erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer ausgerüstetes bzw. betriebenes Kraftfahrzeug längere Zeit auf einer ebenen Fahrbahn dahin fährt, war und ist es nicht notwendig, das Piezoelement zu aktivieren. Sobald dieses Fahrzeug jedoch auf eine Unebenheit gerät, wird über das Fahrwerk eine Kraft in den Schwingungsdämpfer eingeleitet, die auch auf das in der Kraftflussstrecke des Schwingungsdämpfers liegende Piezoelement einwirkt. Dieses erzeugt daraufhin zumindest einen elektrischen Spannungsimpuls, der von einer geeigneten elektronischen Steuereinheit erkannt wird. Vorzugsweise die gleiche elektronische Steuereinheit veranlasst daraufhin die Beaufschlagung des bzw. dieses Piezoelements mit elektrischer Spannung, so dass dieses eine geringe Längenänderung erfährt und somit eine Bewegung ausführt, die bei einer beispielhaften Anordnung des Piezoelements zwischen dem Kolben und der Kolbenstange des Schwingungsdämpfers eine Relativbewegung zwischen dem Kolben und der Kolbenstange hervorruft, wodurch die Haftreibung sowohl zwischen dem Kolben und dem diesen führenden Innenrohr des Schwingungsdämpfers als auch zwischen der Kolbenstange und der dieser zugeordneten Dichtung im Deckel des Schwingungsdämpfers überwunden wird und daraufhin der übliche Schwingungsdämpfprozess mit Gleitreibung zwischen Kolben und Innenrohr bzw. Kolbenstange und deren Dichtung erfolgen kann.
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Nachdem im vorhergehenden Absatz eine mögliche Anordnung des Piezoelements in einem erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer angegeben wurde, nämlich dass das Piezoelement (oder ein ähnlicher Aktor) zwischen dem Kolben des Schwingungsdämpfers und dessen Abstützung an der Kolbenstange angeordnet ist, sei eine alternative oder zusätzliche Anordnungsmöglichkeit genannt. Demnach kann das Piezoelement (oder ein ähnlicher Aktor) auch zwischen dem (bereits mehrfach genannten) Innenrohr und dem ebenfalls bereits erwähnten Deckel des Schwingungsdämpfers angeordnet sein, wodurch das Innenrohr geringfügig gegenüber dem Kolben des Schwingungsdämpfers bewegt und damit die Haftreibung zwischen diesen beiden Elementen ebenso überwunden werden kann wie zwischen der Kolbenstange und deren auch am Innenrohr des Dämpfers abgestützten Dichtung.
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Zurückkommend auf das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 kann im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung das Piezoelement in Intervallen getaktet mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden, wobei die Taktdauer von der Zeitdauer der vorangegangen Ruhephase abhängig ist. Auch dies bewirkt eine (weitere) Reduzierung des Bedarfs von elektrischer Energie. Die Anregung des Piezoelements geschieht somit nicht kontinuierlich, sondern getaktet, um Energie zu sparen. Dabei kann die Taktung abhängig vom Anregungsprofil sein, d. h. abhängig sein von der Oberflächen-Qualität der Fahrbahn, auf der sich das Fahrzeug bewegt. Je länger keine Aktivierung des Piezoelements erforderlich war, weil das Fahrzeug auf einer völlig ebenen Fahrbahn fuhr, desto größer können dann bei Bedarf die Intervalle zwischen den Anregungs-Impulsen des Piezoelements sein. Dabei kann der zeitliche Verlauf der Anregung des Piezoelements je nach Zielsetzung variabel und auch vom Fahrer des Fahrzeugs beeinflussbar, d. h. einstellbar gestaltet sein. Eine komfortbetonte Auslegung ergibt sich, wenn das Piezoelement mit vorrangig in kurzen Intervallen in der Größenordnung von einigen Zehntelsekunden elektrisch angesteuert wird, wobei diese Intervalle bei zeitlich längerer Fahrt auf glatter Fahrbahn nur geringfügig länger werden. Eine energieoptimierte Auslegung ergibt sich, wenn die besagten Intervalle nach zeitlich längerer Fahrt auf glatter Fahrbahn signifikant länger werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung (Anspruch 3) kann die vom Piezoelement aufgrund von Krafteinwirkung erzeugte elektrische Energie in einem elektrischen Energiespeicher zwischengespeichert werden. Eine Krafteinwirkung erfährt das Piezoelement im übrigen auch nach Überwinden der Haftreibung, d. h. im üblichen Schwingungsdämpfprozess des Schwingungsdämpfers unter Gleitreibung. Es kann somit mit dem Piezoelement nicht nur ein Bedarf zur Ansteuerung dieses Piezoelements ermittelt werden, sondern es kann die elektrische Energie, die vom Piezoelement durch äußere Krafteinwirkung erzeugt wird, zwischengespeichert werden, um zu einem späteren Zeitpunkt, wenn der besagte Bedarf besteht und erkannt wird, eine elektrische Spannung an das Piezoelement anzulegen, um ein Losbrechen des Schwingungsdämpfers zu fördern. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass bei fortlaufender Anregung des Schwingungsdämpfers durch Fahrbahneinflüsse, d. h. wenn der Schwingungsdämpfer praktisch kontinuierlich arbeitet, keine Haftreibung auftritt, so dass eine Anregung des Piezoelementes dann selbstverständlich nicht erforderlich ist. Jedoch kann im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung das aus dem fortlaufenden Arbeiten des Schwingungsdämpfers am Piezoelement entstehende elektrische Signal, vorzugsweise in Form einer sich ändernden elektrischen Spannung, geeignet ausgewertet werden, bspw. um daraus die Vertikalbeschleunigung des dem Schwingungsdämpfer zugeordneten Rades des Fahrzeugs abzuleiten.
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Die beigefügte Prinzipskizze zeigt einen erfindungsgemäßen Schwingungsdämpfer bzw. einen Schwingungsdämpfer, an dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, vereinfacht im Schnitt.
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Mit der Bezugsziffer 1 ist das Gehäuse des Schwingungsdämpfers gekennzeichnet, innerhalb dessen ein Innenrohr 2 angeordnet ist, in welchem ein Kolben 3 in Richtung der Längsachse des Innenrohrs 2 verlagerbar geführt ist. Der Kolben 3 trägt eine Kolbenstange 4. Das nach oben hin offene Ende des Innenrohrs 2 ist unter Zwischenlage einer Dichtung 5 von einem Deckel 6 verschlossen, der am Gehäuse 1 befestigt ist. Durch die Dichtung 5 ist die Kolbenstange 4 hindurch geführt, so dass diese Dichtung 5 gleichzeitig als Kolbenstangenführung fungiert. Weitere für die Funktion des Schwingungsdämpfers wesentliche Elemente sind der Einfachheit halber nicht dargestellt und werden auch nicht erläutert, da diese dem Fachmann bekannt sind.
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Wesentlich hingegen sind jedoch Piezoelemente 7 oder ähnliche Aktoren, die – wie nur prinzipiell dargestellt ist – zwischen dem Kolben 3 und dessen Abstützung an der Kolbenstange 4 und/oder zwischen dem Innenrohr 2 und der Dichtung 5 und somit jeweils in der Kraftflussstrecke des Schwingungsdämpfers liegend angeordnet sind. Wenn an diese Piezoelemente 7 eine elektrische Spannung angelegt wird, so ändert sich das Längenmaß des Piezoelements in der Größenordnung von einigen 1/100stel Millimetern und überwindet damit die Losbrechkraft an den Dichtungen zwischen dem Kolben 3 und dem Innenrohr 2 sowie zwischen der Dichtung 5 und der Kolbenstange 4. Das Anlegen der elektrischen Spannung kann in einem weiten Frequenzbereich von wenigen Hertz bis einigen Kilohertz erfolgen und über der Zeit getaktet sein, z. B. 0,1 sec Spannung an, 1 sec Spannung aus oder in anderen beliebigen Taktungen. Durch das nur bedarfsabhängige Ansteuern der Piezoelemente mit elektrischer Spannung wird das Anfedern der Radaufhängung auf kleinen Unebenheiten und damit der Fahrkomfort eines mit solchen Schwingungsdämpfern ausgerüsteten und entsprechend betriebenen Fahrzeugs wirkungsgradoptimiert verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4320261 A1 [0001, 0004, 0006, 0013]
- DE 19730414 A1 [0012]
