DE102014109191A1

DE102014109191A1 - Federungssystem für Fahrzeuge und Verfahren zum Federn von Fahrzeugteilen

Info

Publication number: DE102014109191A1
Application number: DE102014109191.4A
Authority: DE
Inventors: Stephan Ulrich; Konstantin Krivenkov; Rainer Bruns; Erwin Haller; Jens Kolb
Original assignee: Grammer AG
Current assignee: Grammer AG
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: US9688173B2; DE102014109191B4; US20160001685A1; CN105235552B; CN105235552A; DE102014109191B8

Abstract

Federungssystem (1) für Fahrzeugsitze (5), insbesondere Nutzfahrzeugsitze, mit mindestens einem ersten und einem zweiten Teil (2, 3), wobei beide Teile (2, 3) schwingungsbeweglich und federnd zueinander gelagert sind, wobei ein geschlossener hydropneumatischer Kreislauf (4) angeordnet ist, der mindestens ein mit zumindest einem der beiden Teile (2, 3) verbundenes Stellglied (S) und mindestens eine dazu in Reihe geschaltete erste hydropneumatische Feder (F1) umfasst, wobei ein im Kreislauf (4) herrschender hydraulischer Druck (p1) eines hydraulischen Mediums (13) mittels einer im Stellglied (S) angeordneten Wirkfläche (7) in eine zwischen den beiden Teilen (2, 3) wirkende Kraft (6) übertragbar ist, wobei der Druck (p1) von einem in einem Gasvolumen (V1) der ersten Feder (F1) herrschenden Gasdruck (p2) abhängig ist.

Description

Land- und Baumaschinen müssen oft über sehr unebenes Gelände gefahren werden. In solchen Fällen ist der Fahrer starken Schwingungen und Stößen ausgesetzt, die über die Karosserie und den Sitz auf den Fahrer einwirken. Um die Schwingungsbelastung des Fahrers zu reduzieren, sind die Sitze zumeist mit passiven Federungssystemen ausgestattet. Typischerweise werden hierfür Luftfedern und hydraulische Dämpfer verwendet, die zusammen mit einer Führung den Sitz mit der Karosserie verbinden und die Übertragung der Vertikalbeschleunigungen reduzieren. Diese passiven Federungssysteme stoßen aber besonders bei niederfrequenten Schwingungen schnell an ihre physikalische Grenze. In diesem Frequenzbereich wird die Übertragung der Störungen kaum reduziert und teilweise sogar verstärkt.
Eine wesentliche Verbesserung des Komforts des Fahrers kann unter solchen Bedingungen nur mit einem aktiven Federungssystem erreicht werden. In aktiven Systemen kommen meistens statt der passiven Elemente wie Federn und Dämpfer verschiedene Stellglieder zum Einsatz. In bekannten aktiven Federungssystemen für Land- und Baumaschinen werden hydraulische oder elektrische Stellglieder verwendet, um die Übertragung der störenden Vertikalbeschleunigungen vom Fahrzeug auf den Fahrer durch den Eingriff in die Bewegung des Sitzes zu reduzieren.
Die bekannten hydraulischen Stellglieder bestehen dabei aus konventionellen doppeltwirkenden Zylindern mit angeschlossener Steuereinheit zur Dosierung der während der Fahrt notwendigen hydraulischen Leistung. Die für den Betrieb des aktiven Systems erforderliche Gesamtleistung setzt sich zusammen aus dem statischen Anteil zum Tragen des Fahrers und dem dynamischen Anteil zur aktiven Reduktion der Durchlässigkeit des Federungssystems. Wegen des sehr hohen Energiebedarfs wird die notwendige hydraulische Leistung außerhalb des Federungssystems bereitgestellt. Die hydraulischen Stellglieder müssen also stets an das angepasste hydraulische Bordnetz des Fahrzeuges angeschlossen sein. Die Verwendung solcher Systeme in nicht entsprechend ausgestatteten Fahrzeugen wird dadurch wesentlich eingeschränkt oder verhindert. Zudem erfordert dies den Einsatz der entsprechenden Hochdruckleitungen mit relativ engen Querschnitten in- und außerhalb des Stellgliedes, welche eine starke Geräuschentwicklung wegen des kontinuierlichen Durchflusses der Hydraulikflüssigkeit durch das System verursachen.
Die bekannten elektrischen Stellglieder bestehen in den meisten Fällen aus einem konventionellen Linearantrieb oder aus einem konventionellen Elektromotor mit nachgeschaltetem Getriebe. Die linearen Antriebe können in der Sitzführung platziert sein oder zwischen der Sitzbasis und der Sitzfläche angebracht werden. Die Motor-Getriebe-Kombinationen werden in der Mitte des oft als Sitzführung verwendeten Scherenmechanismus‘ verbaut. Im Vergleich zu den hydraulischen sind die elektrischen Stellglieder aufgrund der besseren Wirkungsgrade wesentlich energieeffizienter. Ihre erforderliche elektrische Gesamtleistung beträgt bei der beschriebenen Einbausituation in dem Federungssystem erfahrungsgemäß etwa die Hälfte der hydraulischen Leistung.
Bei Stellgliedern aus Motor-Getriebe-Kombinationen liegt die erforderliche elektrische Gesamtleistung wegen der Minderung der Wirkungsgrade durch den Einsatz eines stark untersetzten Getriebes allerdings etwas höher. Zudem ist die erforderliche elektrische Leistung stark von der vertikalen Position des Sitzes abhängig.
Bei allen bekannten elektrischen Stellgliedern treten im aktiven Betrieb relativ hohe elektrische Ströme auf, welche beim schnellen Beschleunigen oder Bremsen der Last auf der Sitzfläche entsprechend bereitgestellt oder abgeleitet werden müssen. Um eine signifikante Verbesserung der Schwingungsisolation des Fahrers im aktiven Betrieb gegenüber dem passiven zu erreichen, müssen die elektrischen Kreisläufe des Stellgliedes dementsprechend sehr stark überdimensioniert werden. Zusätzlich erfordern solche Kreisläufe eine ausreichende Lüftung des Federungssystems, um die Stellglieder bei den beschriebenen schnellen Lastwechselvorgängen auf einer zulässigen Betriebstemperatur halten zu können.
Einen weiteren Nachteil der bisher beschriebenen hydraulischen und elektrischen aktiven Federungssysteme stellt die fehlende Robustheit im Fall der Unterbrechung bzw. Abschaltung der Bereitstellung der zum Betrieb erforderlichen hydraulischen oder elektrischen Leistung dar. Ohne parallelgeschaltete passive Elemente besitzen diese Systeme im ausgeschalteten Zustand keine schwingungsreduzierende Wirkung und somit keine Fail-Safe-Funktion. Die Sicherheit des Fahrers kann dadurch gefährdet werden.
In einigen bekannten aktiven Systemen werden daher die elektrischen Stellglieder parallel zu den passiven Elementen in das Federungssystem eingebaut. Die Fail-Safe-Funktion des Systems ist dabei zwar vorhanden; im aktiven Betrieb müssen die Stellglieder aber einen zusätzlichen Leistungsanteil zur Überwindung der Kräfte der passiven Elemente aufbringen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Federungssystem für Fahrzeugsitze, insbesondere von Nutzfahrzeugsitzen, zu schaffen, das die Wirksamkeit von hydraulischen oder elektrischen Systemen aufweist, dafür aber wesentlich energieeffizienter und störunempfindlicher ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Federungssystem für Fahrzeugsitze, insbesondere Nutzfahrzeugsitze, mit mindestens einem ersten und einem zweiten Teil, wobei beide Teile schwingungsbeweglich und federnd zueinander gelagert sind, wobei ein geschlossener hydropneumatischer Kreislauf angeordnet ist, der mindestens ein mit zumindest einem der beiden Teile verbundenes Stellglied und mindestens eine dazu in Reihe geschaltete erste hydropneumatische Feder umfasst, wobei ein im Kreislauf herrschender hydraulischer Druck eines hydraulischen Mediums mittels einer im Stellglied angeordneten Wirkfläche in eine zwischen den beiden Teilen wirkende Kraft übertragbar ist, wobei der Druck von einem in einem Gasvolumen der ersten Feder herrschenden Gasdruck abhängig ist.
Hydropneumatische Federungssysteme leisten mittels einer Kombination aus Hydraulik und Pneumatik die Funktionen von Dämpfung und Federung. Hydropneumatische Federn weisen demzufolge einen Volumenanteil für ein Gas und einen Volumenanteil für ein hydraulisches Medium auf, wobei beide Medien beispielsweise durch eine Membran voneinander getrennt sind. Das Gas stellt das eigentliche Federungselement dar. Das Stellglied wiederum besteht bevorzugt aus einem Außenzylinder mit Innenkolben, der eine Kolbenstange und eine Kolbenplatte umfasst. Die Kolbenplatte weist eine Stirnfläche auf, die bevorzugt die Wirkfläche ausbildet. Auf einer Seite der Kolbenplatte ist das hydraulische Medium angeordnet; die Kolbenplatte bzw. die Wirkfläche bildet somit die Grenze zum hydraulischen Medium aus. Das hydraulische Medium ist bevorzugt auf der Seite der Kolbenplatte angeordnet, die der Seite, an der die Kolbenstange angeordnet ist, gegenüberliegt. Es kann aber auch auf der gleichen Seite wie die Kolbenstange angeordnet sein. Dann reduziert sich die Wirkfläche der Kolbenplatte theoretisch um den Betrag, den die Stirnfläche der Kolbenstange, mit der diese an der Kolbenplatte befestigt ist, ausmacht.
Aus dem Bereich der Schwingungsmechanik sind verschiedene Anregungsarten eines Schwingungssystems bekannt. Ein lineares gedämpftes Schwingungssystem, wie ein Masse-Feder-Dämpfer-System, ist beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder und ein Dämpfer zwischen einer Masse auf der einen Seite und einer Aufhängungsvorrichtung auf der anderen Seite parallel zueinander geschaltet sind. Beispielsweise kann eine periodische Kraft, die auf die Masse wirkt, diese zu Schwingungen mit konstanter Ausgangsamplitude anregen (Kraftanregung). Eine andere Möglichkeit, die Masse zu Schwingungen anzuregen, ist mittels einer zeitabhängigen Bewegung der Aufhängungsvorrichtung (Weganregung). Letztere Anregung wird auch Fußpunktanregung genannt und spielt in der Fahrzeugschwingungstechnik eine wichtige Rolle. Es ist nämlich vorstellbar, dass die Masse der Fahrzeugsitz ist und die Aufhängungsvorrichtung der Fahrzeugboden. Fährt nun das Fahrzeug über unebenes Gelände, so wird mittels der Veränderung der Position des Fahrzeugbodens der Sitz zu Schwingungen angeregt. Anschließend werden mittels geeigneter Feder-/Dämpfervorrichtungen des Federungssystems Kräfte erzeugt, die zu den Schwingungsanregungen gleich- oder gegengerichtet sind und zur Reduzierung der Schwingungsbelastung des Fahrers führen sollen. Die Kräfte, auch Rückstellkräfte genannt, sind also die Reaktion des Federungssystems auf eingehende Schwingungsanregungen, welche zum Beispiel in Form von Beschleunigungssignalen oder der stattfindenden Einfederung ermittelt werden können.
Es ist demnach vorteilhaft, wenn die im Stellglied angeordnete Wirkfläche dem hydraulischen Medium zugewandt angeordnet ist und mittels Schwingungsbewegungen der beiden Teile zueinander entlang zweier entgegengerichteter Bewegungsrichtungen bewegbar ist, wobei mittels einer Bewegung der Wirkfläche in Richtung zum hydraulischen Medium der Druck erhöhbar ist.
Vor der Inbetriebnahme des Federungssystems wird der Kreislauf auf einen bestimmten Druck vorgespannt, indem er mit einer hydraulischen Flüssigkeit, beispielsweise Öl, gefüllt wird. Wie oben beschrieben weist die hydropneumatische Feder in ihrem Gasvolumen einen bestimmten Gasdruck auf, der einer Vorspannung der ersten Feder entspricht. Je geringer dieser Gasdruck, mithin also die Vorspannung der hydropneumatischen Feder ist, desto mehr Flüssigkeit kann insgesamt in den Kreislauf eingefüllt werden.
Die Kompression ist ein allseitiges Zusammendrücken eines Körpers, welches dessen Volumen verringert und seine Dichte erhöht. Körper werden nur als kompressibel beschrieben, wenn die auftretenden Druckveränderungen ausreichen, um merkliche Dichteänderungen zu verursachen, was meist nur bei Gasen der Fall ist. Wie allgemein bekannt, ist die Kompressibilität von Flüssigkeiten im Wesentlichen vernachlässigbar. Diese Eigenschaften werden im vorliegenden Federungssystem ausgenutzt.
Eingehende Schwingungsanregungen führen also dazu, dass sich das obere Teil auf das untere Teil zu- und/ oder wieder wegbewegt. Es resultieren also Beschleunigungen bzw. Relativgeschwindigkeiten des oberen zum unteren Teil, die messbar sind. Gleichzeitig wird die Wirkfläche des Stellglieds entlang einer ihrer Bewegungsrichtungen verschoben, wobei insgesamt zumeist zwei Bewegungsrichtungen möglich sind, die bevorzugt einander entgegengesetzt angeordnet sind. Die Wirkfläche des Stellglieds ist vorteilhaft dem hydraulischen Medium zugewandt angeordnet. Durch eine Verschiebung der Wirkfläche in Richtung des Volumens des hydraulischen Mediums ergibt sich eine Volumenabnahme des hydraulischen Mediums im Stellglied. Das hydraulische Medium weicht in den Rest des Kreislaufs aus, wodurch der Druck im Kreislauf steigt, da der Kreislauf geschlossen ist. Analog dazu ergibt sich durch eine Verschiebung der Wirkfläche in die zum Volumen des hydraulischen Mediums abgewandte Richtung eine Volumenzunahme des hydraulischen Mediums im Stellglied, wodurch das gesamte dem hydraulischen Medium im Kreislauf zur Verfügung stehende Volumen steigt. Der Druck im Kreislauf nimmt also ab.
Durch die im Stellglied vorhandene Wirkfläche wird der Druck im Kreislauf zunächst in eine am Stellglied wirkende Kraft umgewandelt. Diese kann durch die Anordnung des Stellgliedes in eine Kraft zwischen den beiden Teilen wirkend übertragen werden. Vorteilhafte Positionen und Anschlusspunkte des Stellgliedes sind in den 2a bis 2c verdeutlicht. Durch die weitgehend variable Platzierung des Stellgliedes und seiner Anschlusspunkte kann die gewünschte Übersetzung der Kraft des Stellgliedes bzw. die zwischen den beiden Teilen wirkende in die auf der Sitzfläche wirksame Kraft erreicht werden. Die Übersetzung kann dabei konstant, progressiv oder degressiv sein.
Es ist demnach vorteilhaft, wenn die Bewegungsrichtung des Stellglieds parallel, senkrecht und/ oder in einem Winkel zu einer Richtung der Schwingungsbewegungen der beiden Teile angeordnet ist.
Wird die Sitzfläche von der Ruhelage zum Beispiel nach unten oder nach oben ausgelenkt (zum Beispiel durch eine Fußpunktanregung), so wird diese Bewegung entsprechend der gewählten Position bzw. Anordnung des Stellgliedes in eine Bewegung des Stellglieds bzw. dessen Bauteilen umgewandelt, wodurch die Volumenänderung und letztendlich die Druckänderung erzielt wird. Die Druckänderung wiederum kann dann durch die im Stellglied vorhandene Wirkfläche in eine zwischen den beiden Teilen wirksame Kraft übertragen werden, welche als Reaktion auf die Schwingungsanregung anzusehen ist.
Die Änderung des Druckes im System ist dabei nur vom Verhältnis der Änderung des Volumens, das dem hydraulischen Medium im Zylinder zu Verfügung steht, zur Änderung des Volumens, das dem Gasmedium im Gasvolumen der hydropneumatischen Feder zur Verfügung steht, abhängig. Je größer die Volumenänderung des Gasmediums ist, desto kleiner ist dieses Verhältnis. Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto geringer ist der Druckanstieg im System. Die Volumenänderung des Gasmediums ist wiederum direkt von dessen Anfangsdruck bzw. dessen Vorspannung abhängig.
Insofern ist also der Druck im hydraulischen Medium direkt abhängig vom Druck im Gasmedium. Auf die Größen im Federungssystem übertragen gilt somit, dass die Federkennlinie des Federungssystems direkt von der anfänglichen Vorspannung der ersten hydropneumatischen Feder abhängig ist. Eine hohe Vorspannung ergibt eine dementsprechend flache bzw. weiche Federkennlinie; eine geringe Vorspannung hingegen führt zu einer steilen bzw. harten Federkennlinie. Es lässt sich somit auf einfache Weise die Charakteristik des Federungssystems einstellen.
Es ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorteilhaft, wenn der Kreislauf weiterhin ein in seiner Strömungsrichtung hinter dem Stellglied und vor der ersten Feder angeordnetes verstellbares Volumenflussregelungsbauteil zur Regelung eines Werts des Volumenflusses des hydraulischen Mediums des Kreislaufs und/ oder eine in Strömungsrichtung hinter der Feder und vor dem Stellglied angeordnete hydraulische Pumpe umfasst.
Da alle vorher genannten Elemente des Kreislaufs, also das Stellglied, das Volumenflussregelungsbauteil, die erste Feder und die Pumpe in Reihe geschaltet sind, kann das Volumen des hydraulischen Mediums, das im Stellglied verdrängt wird, nur über das Volumenflussregelungsbauteil zur ersten Feder gelangen, unabhängig davon, ob die Pumpe angeschaltet oder abgeschaltet ist. Für die Elemente des Kreislaufs gilt, dass diese durch starre und/ oder flexible Leitungen verbindbar sind. Mittels des Volumenflussregelungsbauteils ist nun beispielsweise der Querschnitt der Leitung veränderbar, so dass damit einhergehend ebenfalls der Volumenfluss veränderbar ist. Es kann auch von einer Änderung des hydraulischen Widerstands gesprochen werden. Ein verkleinerter Querschnitt reduziert den Volumenfluss; der hydraulische Widerstand ist demzufolge hoch. Analog dazu erhöht ein vergrößerter Querschnitt den Volumenfluss; der hydraulische Widerstand ist demzufolge niedrig. Ein gleichbleibender Querschnitt bzw. ein gleichbleibender hydraulischer Widerstand nehmen dementsprechend keinen Einfluss auf den Volumenfluss.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Volumenflussregelungsbauteil in Abhängigkeit von aus den Schwingungsbewegungen der beiden Teile zueinander berechenbaren Beschleunigungs- und/ oder Geschwindigkeitswerten einstellbar ist. Diese Beschleunigungswerte lassen sich zum Beispiel mittels aus dem Stand der Technik bestens bekannter Beschleunigungssensoren erfassen. Die Geschwindigkeitswerte lassen sich zum Beispiel über die Ermittlung der Einfederung, also des Stauchungsgrades von zwischen den beiden Teilen angeordneten Federn ermitteln.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn mittels einer im Kreislauf angeordneten Niveauregulierungsvorrichtung der Druck veränderbar ist, wobei die Niveauregulierungsvorrichtung ein zwischen dem Stellglied und der Pumpe angeordnetes erstes Drosselventil und eine dazu in Reihe geschaltete zweite hydropneumatische Feder umfasst, wobei zwischen dem ersten Drosselventil und der zweiten Feder ein in Reihe geschaltetes Rückschlagventil und ein parallel zum Rückschlagventil geschaltetes zweites Drosselventil angeordnet sind.
Eine Niveauregulierungsvorrichtung ist dazu geeignet, den Abstand der beiden zueinander beweglichen Teile in Abhängigkeit vom Fahrergewicht einzustellen, so dass für jeden unterschiedlichen Fahrer genug Restfederweg für eine optimale Federung zur Verfügung steht.
Im vorliegenden Kreislauf kann durch die oben beschriebene Niveauregulierungsvorrichtung der Druck im Kreislauf verringert oder erhöht werden. Soll zum Beispiel eine niedrigere Sitzposition eingenommen werden, muss die Flüssigkeitsmenge im Kreislauf erniedrigt werden. Da der Kreislauf jedoch geschlossen ist, wird der Volumenstrom des hydraulischen Mediums mittels der Niveauregulierungsvorrichtung aufgeteilt. Dazu wird bei angeschalteter Pumpe das erste Drosselventil betätigt. Ein Teil der hydraulischen Flüssigkeit aus dem Kreislauf wird über das Rückschlagventil in die zweite Feder gefördert. Diese zweite hydropneumatische Feder weist analog zur ersten hydropneumatischen Feder ebenfalls einen Gasvolumenanteil und einen Flüssigkeitsvolumenanteil auf. Durch den Anstieg des letzteren Volumenanteils steigt der Druck im Gasvolumen und der Druck im Kreislauf sinkt. Soll hingegen eine höhere Sitzposition eingenommen werden, müssen entsprechend die Flüssigkeitsmenge und damit der Druck im Kreislauf erhöht werden. Dazu wird das zweite Drosselventil betätigt. Das Gas im Gasvolumenanteil der zweiten Feder kann sich entspannen, wodurch das hydraulische Medium aus der zweiten Feder in den Kreislauf zurückgefördert wird.
Vorteilhaft kann das Volumenflussregelungsbauteil durch mindestens ein servohydraulisches, proportionales, elektrorheologisches und/ oder magnetorheologisches Ventil ausgebildet sein.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Stellglied durch einen einfachwirkenden oder zweifachwirkenden Hydraulikzylinder, Membranaktor und/ oder Balgaktor ausgebildet ist.
In der Praxis hat es sich zudem bewährt, wenn ein Gasmedium der ersten Feder und/ oder der zweiten Feder Stickstoff ist und/ oder das hydraulische Medium des Kreislaufs Öl ist.
Mittels des beschriebenen Federungssystems sind nun verschiedene Verfahren zur Federung möglich. Die Aufgabe der Erfindung wird also ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zum hydropneumatischen Federn von Teilen eines Fahrzeugsitzes mit mindestens einem ersten und einem zweiten Teil, wobei beide Teile sich schwingend zueinander bewegen und hydropneumatisch federnd zueinander gelagert sind, wobei in einem geschlossenen hydropneumatischen Kreislauf, der mindestens ein mit zumindest einem der beiden Teile verbundenes Stellglied und mindestens eine dazu in Reihe geschaltete erste hydropneumatische Feder und ein in Strömungsrichtung hinter dem Stellglied und vor der Feder angeordnetes verstellbares Volumenflussregelungsbauteil zur Regelung eines Werts des Volumenflusses eines hydraulischen Mediums des Kreislaufs umfasst, mittels Schwingungsbewegungen (12) der beiden Teile (2, 3) zueinander eine im Stellglied (S) angeordnete Wirkfläche (7) entlang mindestens einer Bewegungsrichtung (16a, 16b) bewegt wird, wodurch ein im Kreislauf herrschender hydraulischer Druck verändert wird, welcher mittels der im Stellglied angeordneten Wirkfläche in eine zwischen den beiden Teilen wirkende Kraft übertragen wird, wobei der Druck durch einen in einem Gasvolumen der ersten Feder herrschenden Gasdruck mitbestimmt wird.
Es hat sich also vorteilhaft erwiesen, wenn mittels einer in Strömungsrichtung des Kreislaufs hinter der Feder und vor dem Stellglied angeordneten hydraulischen Pumpe in einem angeschalteten Zustand der Pumpe der Volumenfluss des hydraulischen Mediums des Kreislaufs angetrieben wird.
Mittels der beschriebenen Elemente und Anordnungen können nun verschiedene Eigenschaften des beschriebenen Federungssystems eingestellt werden.
So kann eine passive Federung erfolgen, wenn in einem abgeschalteten Zustand der Pumpe mittels des Volumenflussregelungsbauteils der Volumenfluss des Mediums konstant gehalten wird. Die Funktion des Stellglieds entspricht dabei der Funktion eines konventionellen viskosen Dämpfers. Die während der Bewegung der Sitzfläche dem Stellglied zugeführte Energie wird hier in Wärme umgewandelt. Somit stellt der geschlossene Kreislauf ein passives hydropneumatisches Federungssystem dar.
Eine semi-aktive Federung erfolgt, wenn im abgeschalteten Zustand der Pumpe mittels des Volumenflussregelungsbauteils der Volumenfluss des Mediums in Abhängigkeit von aus den Schwingungsbewegungen der beiden Teile zueinander berechenbaren Beschleunigungs- und/ oder Geschwindigkeitswerten eingestellt wird. Somit stellt der geschlossene Kreislauf ein semi-aktives hydropneumatisches Federungssystem dar.
Soll eine voll-aktive Federung erfolgen, wird vorteilhaft im angeschalteten Zustand der Pumpe mittels des Volumenflussregelungsbauteils der Volumenfluss des Mediums in Abhängigkeit von den aus den Schwingungsbewegungen der beiden Teile zueinander berechenbaren Beschleunigungs- und/ oder Geschwindigkeitswerten eingestellt. Der dynamische Anteil der Belastung der Sitzfläche wird durch die Verstellung des Volumenflussregelungsbauteils bzw. des hydraulischen Widerstands übernommen. Für die dynamische Steuerung der Bewegung der Sitzfläche in Abhängigkeit von der Schwingungsbelastung wird der hydraulische Widerstand verstellt und der Druck im Stellglied aktiv vergrößert oder verkleinert. Somit stellt der geschlossene Kreislauf ein voll-aktives hydropneumatisches Federungssystem dar. Dadurch ist im unebenen Gelände eine enorme Steigerung des Fahrkomforts gegenüber passiven oder semiaktiven Systemen möglich.
Schließlich ist eine Sitzhöhenverstellung möglich, wenn im angeschalteten Zustand der Pumpe mittels des Volumenflussregelungsbauteils der Volumenfluss des Mediums auf einen Minimalwert eingestellt wird. Um das System möglichst energieeffizient zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn die oben beschriebene Niveauregulierungsvorrichtung die statische Anpassung der Position der Sitzfläche an die Bedürfnisse des Fahrers übernimmt.
Durch die beschriebene Vorrichtung und die beschriebenen Verfahren ist unter anderem aufgrund des geschlossenen hydropneumatischen Kreislaufs weiterhin eine extreme Reduzierung des Leistungs- und Energiebedarfs sowie der Geräuschentwicklung möglich. Die statische Last wird vom Druckniveau im Hydrauliksystem getragen. Nur die dynamische Last muss aktiv ausgeglichen werden.
Die Fail-Safe-Funktion ist möglich, da bei Abschalten der Leistungszufuhr die in Reihe angeordneten hydraulischen Komponenten automatisch in den passiven Betrieb übergehen.
Das Modul für die Leistungsaufbereitung kann innerhalb der Sitzkinematik bzw. innerhalb des Sitzes platzsparend angeordnet werden.
Ferner kann durch die beschriebene variable Anordnung des Stellgliedes die Übersetzung der Kraft des Stellgliedes in die resultierende Kraft zwischen den beiden Teilen frei vorgewählt werden.
Außerdem können durch die Niveauregulierungsvorrichtung sowohl im aktiven als auch im passiven Betrieb eine unabhängige Niveauregulierung und eine automatische Sitzhöhenanpassung an das Fahrergewicht erfolgen.
Der Aufbau des Systems gestaltet sich weiterhin flexibel, da sowohl konventionelle als auch unkonventionelle Komponenten verwendet werden können. Für die Federfunktion bzw. für die Bereitstellung der hydraulischen Kapazität können Vorrichtungen wie Gasspeicher oder andere energiespeichernde Elemente verwendet werden, wie zum Beispiel hydraulische Kolben mit Federn, elastische Schläuche, Membranen oder ähnliche Vorrichtungen.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft ein erfindungsgemäßes Federungssystem dargestellt und beschrieben ist. In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen hydropneumatischen Kreislaufs;
2a–c schematisch verschiedene Ausführungsformen bezüglich der Lage der Bewegungsrichtung des Stellglieds in Relation zur Schwingungsrichtung.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des hydropneumatischen Kreislaufs 4 des erfindungsgemäßen Federungssystems 1 dargestellt. Das Stellglied S, das erfindungsgemäß mit mindestens einem der beiden schwingungsbeweglich und federnd zueinander gelagerten Teile 2, 3 (hier nicht gezeigt) verbunden ist, ist erfindungsgemäß in Reihe geschaltet mit einer hydropneumatischen Feder F1. Befüllt ist der Kreislauf 4 mit einem hydraulischen Medium 13, das die gezeigte Strömungsrichtung 11 seines Volumenflusses 17 aufweist. Der Anteil des hydraulischen Mediums 13 im Stellglied S nimmt das Volumen V1 ein. Gemäß gezeigter Ausführungsvariante weist das Stellglied S zwei Anschlüsse für den Volumenfluss 17 des hydraulischen Mediums 13 auf. Es kann aber auch stattdessen ein sogenanntes T-Stück am Stellglied S angeordnet sein. Dieses T-Stück ist meist ein Rohr- oder Leitungsstück und ähnelt von seiner Form dem Buchstaben „T“. Es stellt ein in der Gas- und Flüssigkeitsleittechnik häufig verwendetes Bauteil dar, mittels dem eine Abzweigung an eine bestehende Verbindung realisiert werden kann, indem beispielsweise ein erster Abschnitt des T-Stücks mit dem Stellglied S und die beiden anderen Abschnitte mit dem Kreislauf 4 verbunden werden, so dass das hydraulische Medium 13 durch das T-Stück hindurchfließen kann. Somit kann ein Anschluss am Stellglied S eingespart werden.
Die Feder F1 weist ein Gesamtvolumen V2 auf, das in einen Volumenanteil V2a für das Gasmedium 14 und einen Volumenanteil V2b für das hydraulische Medium 13 unterteilt ist. Im Volumenanteil V2a des Gasmediums 14, welches bevorzugt Stickstoff ist, herrscht ein Gasdruck p2. Im Volumenanteil V2b herrscht der Systemdruck p1.
Das Stellglied S ist in diesem Beispiel als konventioneller, einfachwirkender hydraulischer Zylinder S mit einem Kolben 18 und einer Bewegungsrichtung 16 ausgebildet. Der gezeigte Zylinder S weist eine Wirkfläche 7 auf, die vorteilhaft senkrecht zur Bewegungsrichtung 16a, 16b angeordnet ist. Sie ist dem hydraulischen Medium 13 zugewandt angeordnet. Die Bewegungsrichtung 16a, 16b des Stellglieds S kennzeichnet in diesem Fall die Bewegungsrichtung des im Zylinder S angeordneten Kolbens 18 mit Kolbenstange 20. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, befindet sich das Volumen V1 zumeist unterhalb der Wirkfläche 7 des Kolbens 18, also auf der der Kolbenstange 20 abgewandten Seite. Im Kreislauf 4, insbesondere im hydraulischen Medium 13, herrscht ein Druck p1. Dieser Druck p1 ist abhängig von der Menge des hydraulischen Mediums, mit dem der Kreislauf 4 vor Inbetriebnahme des Federungssystems 1 befüllt wurde.
Eine auf das Stellglied S wirkende Schwingungsanregung in Form einer Beschleunigung oder Bewegung, die aufgrund von zwischen den beiden Teilen 2, 3 auftretenden Schwingungsbewegungen 12 entsteht, bewirkt nun eine Bewegung des Kolbens 18 entlang der Bewegungsrichtung 16a, 16b. In diesem Beispiel wirkt die Beschleunigung oder Bewegung nach unten, wodurch der Kolben 18 zusammen mit der Wirkfläche 7 ebenfalls nach unten verschoben wird. Dies führt dazu, dass das unter dem Kolben 18 befindliche hydraulische Medium 13 verdrängt und das Volumen V1 erniedrigt wird. Die Schwingungsanregung wird also mittels der Wirkfläche 7 in eine Änderung des Drucks p1 übertragen.
Der Druck p1 ist nun unter anderem abhängig von dem im Gasvolumen V1a herrschenden Druck p2. Insbesondere ist die Änderung des Drucks p1 von der Änderung des Drucks p2 abhängig.
Weiterhin umfasst der gezeigte Kreislauf 4 ein in seiner Strömungsrichtung 11 hinter dem Stellglied S und vor der Feder F1 angeordnetes verstellbares Volumenflussregelungsbauteil 8 zur Regelung eines Werts des Volumenflusses 12 des hydraulischen Mediums 13 des Kreislaufs 4 und eine in Strömungsrichtung 11 hinter der Feder F1 und vor dem Stellglied S angeordnete hydraulische Pumpe 9. Diese Pumpe ist mittels eines Motors M, insbesondere eines Elektromotors, antreibbar, so dass ein angeschalteter Zustand 9a und ein abgeschalteter Zustand 9b der Pumpe 9 unterschieden werden kann. Nur im angeschalteten Zustand 9a wird mittels der Pumpe 9 der Volumenfluss 12 des hydraulischen Mediums 13 im Kreislauf 4 angetrieben. Das Volumenflussregelungsbauteil 8 ist bevorzugt durch mindestens ein servohydraulisches, proportionales, elektrorheologisches und/ oder magnetorheologisches Ventil ausgebildet.
Der Kreislauf 4 zeigt weiterhin eine Niveauregulierungsvorrichtung 10, mittels der der Druck p1 veränderbar ist. Hierzu sind ein zwischen dem Stellglied S und der Pumpe 9 angeordnetes erstes Drosselventil D1 und eine dazu in Reihe geschaltete zweite hydropneumatische Feder F2 angeordnet. Weiterhin sind zwischen dem ersten Drosselventil D1 und der zweiten Feder F2 ein in Reihe geschaltetes Rückschlagventil R und ein parallel zum Rückschlagventil R geschaltetes zweites Drosselventil D2 angeordnet. Analog zur ersten hydropneumatischen Feder F1 weist die zweite Feder F2 einen Volumenanteil V3a für das Gasmedium 14 und einen Volumenanteil V3b für das hydraulische Medium 13 auf. Mittels der Niveauregulierungsvorrichtung 10 sind eine oben beschriebene Volumenstromaufteilung und damit eine Änderung des Systemdrucks p1 möglich.
In 2a, 2b und 2c sind verschiedene Positionen des Stellglieds S in Abhängigkeit von der Schwingungsrichtung 12 der beiden Teile 2, 3 gezeigt. Die restlichen Komponenten des Kreislaufs 4 sind nicht gezeigt.
Dazu ist ein Fahrzeugsitz 5 vorteilhaft fest mit einem ersten Teil 2 verbunden, das mittels der gezeigten Anordnung zu einem weiteren Teil 3, beispielsweise dem Fahrzeugboden, schwingungsbeweglich und federnd gelagert ist. Die gezeigte Anordnung umfasst an den vorderen Enden 2a, 3a der beiden Teile 2, 3 vorteilhaft jeweils ein Festlager 15a und an den hinteren Enden 2b, 3b der beiden Teile 2, 3 vorteilhaft jeweils ein Loslager 15b, so dass die gezeigten Scherenarme 19a, 19b durch den Freiheitsgrad an den Loslagern 15b in Längsrichtung 5a des Fahrzeugsitzes 5 sich aufeinander zubewegen können und eine Schwingung der beiden Teile 2, 3 in Schwingungsrichtung 21 möglich ist. Gezeigt ist hier eine vertikale Schwingungsrichtung 21; denkbar sind aber auch horizontale oder schräg dazu verlaufende Schwingungsrichtungen 21.
Die Bewegungsrichtung 16a, 16b des Stellglieds S bzw. des im Stellglied S angeordneten Kolbens 18 kann nun parallel, senkrecht und/ oder in einem Winkel zu der Richtung der Schwingungsbewegung 12 der beiden Teile 2, 3 angeordnet sein.
2a zeigt eine Anordnung der Bewegungsrichtung 16a, 16b des Stellglieds S parallel zu der Richtung 21 der Schwingungsbewegung 12 der beiden Teile 2, 3. Zu diesem Zwecke ist das Stellglied S beispielsweise zwischen den beiden Festlagern 15a der beiden Teile 2, 3 und fest verbunden mit diesen angeordnet.
2c zeigt eine Anordnung der Bewegungsrichtung 16a, 16b des Stellglieds S senkrecht zu der Richtung 21 der Schwingungsbewegung 12 der beiden Teile 2, 3. Zu diesem Zwecke ist das Stellglied S beispielsweise zwischen dem Festlager 15a und dem Loslager 15b des unteren Teils 3 und fest verbunden mit diesen angeordnet.
2b zeigt eine Anordnung der Bewegungsrichtung 16a, 16b des Stellglieds S in einem Winkel zu der Richtung der Schwingungsbewegung 12 der beiden Teile 2, 3. Zu diesem Zwecke ist ein weiteres Festlager 15a auf dem unteren Teil 3 zwischen dem Festlager 15a und dem Loslager 15b des unteren Teils 3 angeordnet. Das Stellglied S ist nun beispielsweise zwischen dem weiteren Festlager 15a und dem Festlager 15a des oberen Teils 2 und fest verbunden mit diesen angeordnet. Die Position des weiteren Festlagers 15a auf dem unteren Teil 3 bestimmt dabei den Winkel α, den die Bewegungsrichtung 16 des Stellglieds S zur Richtung 21 der Schwingungsbewegungen 12 einnimmt.
Dementsprechend kann der Einfluss der Kraft 6, die vom Stellglied S ausgeht, gesteuert werden. Die Übersetzung der Kraft 6 des Stellgliedes S in eine zwischen den beiden Teilen 2, 3 wirksame Kraft Fx, Fy kann also durch die Platzierung des Stellgliedes S und seiner Anschlusspunkte vorbestimmt werden. Diese Kraft 6 wird beispielsweise stets als parallel zur Bewegungsrichtung 16a, 16b definiert. Die Kraft Fx wirkt dabei in Vertikalrichtung, die Kraft Fy wirkt in Horizontalrichtung. Die Beträge von Fx und Fy errechnen sich dabei aus dem Anteil der Kraft 6, die zum Vektor der Kräfte Fx und Fy parallel angeordnet sind.
In der 2a entsprechen der Vektor und der Betrag der Kraft 6 dem Vektor und dem Betrag der Kraft Fy. In 2b entspricht der Betrag der Kraft Fy dem Produkt aus dem Kosinus von α und dem Betrag der Kraft 6. 2c wiederum zeigt eine Anordnung, in der der Vektor und der Betrag der Kraft Fx dem Vektor und dem Betrag der Kraft 6 entsprechen. Im Gegensatz zu den 2a, 2b, in denen das hydraulische Medium 13 auf der der Kolbenstange 20 abgewandten Seite des Kolbens 18 angeordnet ist, funktioniert die Anordnung aus 2c dann, wenn das hydraulische Medium 13 auf der der Kolbenstange 20 zugewandten Seite des Kolbens 18 angeordnet ist.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarte Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1: Federungssystem
2, 3: Teil
2a, 2b, 3a, 3b: Enden
4: hydropneumatischer Kreislauf
5: Fahrzeugsitz
5a: Längsrichtung
5b: Breitenrichtung
5c: Höhenrichtung
6: Kraft
7: Wirkfläche
8: Volumenflussregelungsbauteil
9: Pumpe
9a: angeschalteter Zustand
9b: abgeschalteter Zustand
10: Niveauregulierungsvorrichtung
11: Strömungsrichtung
12: Schwingungsbewegung
13: hydraulisches Medium
14: Gasmedium
15a: Festlager
15b: Loslager
16a, b: Bewegungsrichtung
17: Volumenfluss
18: Kolben
19a, b: Scherenarme
20: Kolbenstange
21: Schwingungsrichtung
α: Winkel
C1: passive Federung
C2: semi-aktive Federung
C3: voll-aktive Federung
C4: Sitzhöhenverstellung
D1, D2: Drosselventil
F1, F2: hydropneumatische Feder
Fx, Fy: Kraft
p1, p2: Druck
M: Motor
R: Rückschlagventil
S: Stellglied
V1, V2a, V2b, V3a, V3b: Volumen

Claims

Federungssystem (1) für Fahrzeugsitze (5), insbesondere Nutzfahrzeugsitze, mit mindestens einem ersten und einem zweiten Teil (2, 3), wobei beide Teile (2, 3) schwingungsbeweglich und federnd zueinander gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener hydropneumatischer Kreislauf (4) angeordnet ist, der mindestens ein mit zumindest einem der beiden Teile (2, 3) verbundenes Stellglied (S) und mindestens eine dazu in Reihe geschaltete erste hydropneumatische Feder (F1) umfasst, wobei ein im Kreislauf (4) herrschender hydraulischer Druck (p1) eines hydraulischen Mediums (13) mittels einer im Stellglied (S) angeordneten Wirkfläche (7) in eine zwischen den beiden Teilen (2, 3) wirkende Kraft (6) übertragbar ist, wobei der Druck (p1) von einem in einem Gasvolumen (V1) der ersten Feder (F1) herrschenden Gasdruck (p2) abhängig ist.
Federungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Stellglied (S) angeordnete Wirkfläche (7) dem hydraulischen Medium (13) zugewandt angeordnet ist und mittels Schwingungsbewegungen (12) der beiden Teile (2, 3) zueinander entlang zweier entgegengerichteter Bewegungsrichtungen (16a, 16b) bewegbar ist, wobei mittels einer Bewegung der Wirkfläche (7) in Richtung (16a) zum hydraulischen Medium (13) der Druck (p1) erhöhbar ist.
Federungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (16a, 16b) des Stellglieds (S) parallel, senkrecht und/ oder in einem Winkel (α) zu einer Richtung der Schwingungsbewegungen (12) der beiden Teile (2, 3) angeordnet ist.
Federungssystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (4) weiterhin ein in seiner Strömungsrichtung (11) hinter dem Stellglied (S) und vor der ersten Feder (F1) angeordnetes verstellbares Volumenflussregelungsbauteil (8) zur Regelung eines Werts des Volumenflusses (17) des hydraulischen Mediums (13) des Kreislaufs (4) und/ oder eine in Strömungsrichtung (11) hinter der Feder (F1) und vor dem Stellglied (S) angeordnete hydraulische Pumpe (9) umfasst.
Federungssystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenflussregelungsbauteil (8) in Abhängigkeit von aus den Schwingungsbewegungen (12) der beiden Teile (2, 3) zueinander berechenbaren Beschleunigungs- und/ oder Geschwindigkeitswerten einstellbar ist.
Federungssystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im Kreislauf (4) angeordneten Niveauregulierungsvorrichtung (10) der Druck (p1) veränderbar ist, wobei die Niveauregulierungsvorrichtung (10) ein zwischen dem Stellglied (S) und der Pumpe (9) angeordnetes erstes Drosselventil (D1) und eine dazu in Reihe geschaltete zweite hydropneumatische Feder (F2) umfasst, wobei zwischen dem ersten Drosselventil (D1) und der zweiten Feder (F2) ein in Reihe geschaltetes Rückschlagventil (R) und ein parallel zum Rückschlagventil (R) geschaltetes zweites Drosselventil (D2) angeordnet sind.
Federungssystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenflussregelungsbauteil (8) durch mindestens ein servohydraulisches, proportionales, elektrorheologisches und/ oder magnetorheologisches Ventil ausgebildet ist.
Federungssystem (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (S) durch einen einfachwirkenden oder zweifachwirkenden Hydraulikzylinder, Membranaktor und/ oder Balgaktor ausgebildet ist.
Federungssystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasmedium (14) der ersten Feder (F1) und/ oder der zweiten Feder (F2) Stickstoff ist und/ oder das hydraulische Medium (13) des Kreislaufs (4) Öl ist.
Verfahren zum hydropneumatischen Federn von Teilen (2, 3) eines Fahrzeugsitzes (5) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Teil (2, 3), wobei beide Teile (2, 3) sich schwingend zueinander bewegen und hydropneumatisch federnd zueinander gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einem geschlossenen hydropneumatischen Kreislauf (4), der mindestens ein mit zumindest einem der beiden Teile (2, 3) verbundenes Stellglied (S) und mindestens eine dazu in Reihe geschaltete erste hydropneumatische Feder (F1) und ein in Strömungsrichtung (11) hinter dem Stellglied (S) und vor der Feder (F1) angeordnetes verstellbares Volumenflussregelungsbauteil (8) zur Regelung eines Werts des Volumenflusses (17) eines hydraulischen Mediums (13) des Kreislaufs (4) umfasst, mittels Schwingungsbewegungen (12) der beiden Teile (2, 3) zueinander eine im Stellglied (S) angeordnete Wirkfläche (7) entlang mindestens einer Bewegungsrichtung (16a, 16b) bewegt wird, wodurch ein im Kreislauf (4) herrschender hydraulischer Druck (p1) verändert wird, welcher mittels der im Stellglied (S) angeordneten Wirkfläche (7) in eine zwischen den beiden Teilen (2, 3) wirkende Kraft (6) übertragen wird, wobei der Druck (p1) durch einen in einem Gasvolumen (V1) der ersten Feder (F1) herrschenden Gasdruck (p2) mitbestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer in Strömungsrichtung (11) des Kreislaufs (4) hinter der Feder (F1) und vor dem Stellglied (S) angeordneten hydraulischen Pumpe (9) in einem angeschalteten Zustand (9a) der Pumpe (9) der Volumenfluss (17) des hydraulischen Mediums (13) des Kreislaufs (4) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem abgeschalteten Zustand (9b) der Pumpe (9) mittels des Volumenflussregelungsbauteils (8) der Volumenfluss (17) des Mediums (13) konstant gehalten wird, mithin also eine passive Federung (C1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im abgeschalteten Zustand (9b) der Pumpe (9) mittels des Volumenflussregelungsbauteils (8) der Volumenfluss (17) des Mediums (13) in Abhängigkeit von aus den Schwingungsbewegungen (12) der beiden Teile (2, 3) zueinander berechenbaren Beschleunigungs- und/ oder Geschwindigkeitswerten eingestellt wird, mithin also eine semi-aktive Federung (C2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im angeschalteten Zustand (9a) der Pumpe (9) mittels des Volumenflussregelungsbauteils (8) der Volumenfluss (17) des Mediums (13) in Abhängigkeit von aus den Schwingungsbewegungen (12) der beiden Teile (2, 3) zueinander berechenbaren Beschleunigungs- und/ oder Geschwindigkeitswerten eingestellt wird, mithin also eine voll-aktive Federung (C3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im angeschalteten Zustand (9a) der Pumpe (9) mittels des Volumenflussregelungsbauteils (8) der Volumenfluss (17) des Mediums (13) auf einen Minimalwert eingestellt wird, mithin also eine Sitzhöhenverstellung (C4) erfolgt.