DE102014118608B4

DE102014118608B4 - Vorrichtung zur Aufhängungsdämpfung mit einer negativen Steifigkeit

Info

Publication number: DE102014118608B4
Application number: DE102014118608.7A
Authority: DE
Inventors: Avshalom Suissa
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: CN104709027A; CN104709027B; US20150165852A1; US9370982B2; DE102014118608A1

Abstract

Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) zwischen einem gefederten Element (510, 610, 710) und einem ungefederten Element (514, 614, 714), umfassend:
eine Last tragende Feder (522, 622, 724), die parallel zu einem Element (530, 630, 730) mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element (510, 610, 710) und dem ungefederten Element (514, 614, 714) angeordnet ist;
wobei die Feder (522, 622, 724) mit einer positiven Federrate ausgebildet ist, um eine statische Last des gefederten Elements (510, 610, 710) zu tragen;
wobei das Element (530, 630, 730) mit negativer Steifigkeit eine obere Stange (532, 632, 716), die mit dem gefederten Element (510, 610, 710) an einem Scharnier verbunden ist, eine untere Stange (534, 634, 713), die mit dem ungefederten Element (514, 614, 714) an einem Scharnier (515, 615, 712) verbunden ist, und eine Einrichtung (535, 536, 636, 733) mit negativer Steifigkeit umfasst;
wobei die obere Stange (532, 632) und die untere Stange (534, 634) an einem Scharnier (533, 633) verbunden sind, auf das die Einrichtung (535, 536, 636) eine Zugkraft ausübt, um eine aufwärts gerichtete Trennkraft an dem gefederten Element (510, 610) relativ zu dem ungefederten Element (514, 614) zu erzeugen, oder wobei die Einrichtung (733) zwischen der oberen Stange (716) und der unteren Stange (713) eingebunden ist, um eine Kompressionskraft auszuüben und dadurch das ungefederte Element (714) abwärts zu drücken; und
wobei das Element (530, 630, 730) mit negativer Steifigkeit derart ausgebildet ist, dass es eine negative Federrate aufweist und eine Kraft entgegengesetzt zu der Federrate der Feder (522, 622, 724) ausübt, wobei die negative Federrate einen Betrag aufweist, der die positive Federrate an einem Null-Auslenkungspunkt der Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) aufhebt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Einrichtungen zum Dämpfen von Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen bezogen auf die vorliegende Offenbarung dar. Dementsprechend sollen solche Angaben keine Berechtigung als Stand der Technik darstellen.
Aufhängungssysteme werden verwendet, um ein gefedertes Element von Impuls- und Schwingungsenergieeingaben, die an einem ungefederten Element erfahren werden, zu entkoppeln, indem die Schwingungseingaben absorbiert und dissipiert werden. Aufhängungssysteme werden sowohl an stationären Systemen als auch an mobilen Systemen verwendet, die Personenkraftwagen umfassen. Bekannte Aufhängungssystemelemente umfassen Federelemente, die parallel und/oder in Reihe mit Dämpfungselementen gekoppelt sind, z.B. mit Stoßdämpfern, die fluidische oder pneumatische Merkmale zur Energieabsorption und Energiedissipation aufweisen.
Wenn sie in einem Fahrzeugsystem verwendet werden, sind Aufhängungssysteme, die Federn und Dämpfer aufweisen, ausgebildet, um gleichzeitig Leistungsmerkmale zu liefern, die sich auf den Fahrkomfort für Insassen, die Handhabung des Fahrzeugs und die Bodenhaftungsfähigkeit beziehen. Der Fahrtkomfort wird im Allgemeinen bezogen auf die Federkonstante der Hauptfedern des Fahrzeugs, die Federkonstante von Sitzen für Insassen, bezogen auf die Reifen und bezogen auf einen Dämpfungskoeffizienten des Dämpfers geregelt. Für einen optimalen Fahrkomfort ist eine relativ geringe Dämpfungskraft für ein weiches Fahren bevorzugt. Die Fahrzeughandhabung bezieht sich auf eine Variation bezüglich einer Einstellung des Fahrzeugs, die anhand des Roll-, Nick- und Gierwinkels definiert ist. Für eine optimale Fahrzeughandhabung sind relativ große Dämpfungskräfte oder ein festes Fahren erforderlich, um übermäßig schnelle Schwankungen in der Einstellung des Fahrzeugs während des Kurvenfahrens, der Beschleunigung und der Verlangsamung zu vermeiden. Die Bodenhaftungsfähigkeit bezieht sich allgemein auf einen Betrag des Kontakts zwischen den Reifen und dem Boden. Um die Bodenhaftungsfähigkeit zu optimieren, sind große Dämpfungskräfte erforderlich, wenn über unregelmäßige Oberflächen gefahren wird, um einen Kontaktverlust zwischen einzelnen Rädern und dem Boden zu vermeiden. Bekannte Fahrzeugaufhängungsdämpfer verwenden verschiedene Verfahren, um die Dämpfungseigenschaften einzustellen, um auf Änderungen in Fahrzeugbetriebseigenschaften reagieren zu können, und sie umfassen aktive Dämpfungssysteme.
In der EP 0 127 741 A1 ist eine Aufhängungsbaugruppe beschrieben, die eine Last tragende Feder umfasst, die zwischen einem gefederten und einem ungefederten Element eines Fahrzeugs angeordnet ist und eine positive Federrate aufweist, um eine statische Last des gefederten Elements zu tragen. Ein Element mit negativer Steifigkeit ist parallel zum Federelement angeordnet, weist eine negative Federrate auf und übt eine Kraft entgegengesetzt zur positiven Federrate der Feder aus. Dabei weist die negative Federrate einen Betrag auf, der die positive Federrate an einem Null-Auslenkungspunkt der Aufhängungsbaugruppe aufhebt.
Die DE 40 14 466 A1 beschreibt eine ähnliche Aufhängungsbaugruppe.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Aufhängungsbaugruppe anzugeben, die ein gewünschtes Ansprechverhalten auf Änderungen in Fahrzeugbetriebseigenschaften zeigt, ohne aktive Dänpfungssysteme zu verwenden.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird durch eine Aufhängungsbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine Aufhängungsbaugruppe zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element umfasst eine Last tragende Feder, die parallel zu einem Element mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element und dem ungefederten Element angeordnet ist. Die Feder ist mit einer positiven Federrate ausgebildet, um eine statische Last des gefederten Elements zu tragen. Das Element mit negativer Steifigkeit ist derart ausgebildet, dass es eine negative Federrate aufweist und eine Kraft entgegengesetzt zu der Federrate der Feder ausübt. Die negative Federrate weist einen Betrag auf, der die positive Federrate an einem Null-Auslenkungspunkt der Aufhängungsbaugruppe aufhebt.
Figurenliste
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:

1 eine passive Aufhängungsbaugruppe gemäß der Offenbarung darstellt, die ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, das verwendet wird, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element zu dämpfen;
2 gemäß der Offenbarung eine Auslenkung (in m, Wegstrecke) an einer horizontalen Achse und eine Last (in N) an einer vertikalen Achse für Aufhängungskomponenten darstellt, die eine Feder und ein Element mit negativer Steifigkeit umfassen, wobei die Auslenkung zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element auftritt;
3 gemäß der Offenbarung ein Freikörperbild für ein Element mit negativer Steifigkeit darstellt, welches eine Auslenkung und eine damit verbundene Kraft umfasst, die in einer vertikalen Richtung in Ansprechen auf eine Kraft, die in einer horizontalen Richtung ausgeübt wird, erzeugt wird;
4 gemäß der Offenbarung ein Freikörperbild für ein Aufhängungssystem darstellt, welches eine Feder in Kombination mit einem Element mit negativer Steifigkeit in der Form von starren Elementen, die an einer Verbindung in Reihe verbunden sind, und eine Kraft umfasst, die an distalen Enden der Elemente in der horizontalen Richtung ausgeübt wird;
5 gemäß der Offenbarung eine aktive Aufhängungsbaugruppe darstellt, die zwischen einer Fahrzeugkarosserie und einer Fahrzeugradbaugruppe befestigt ist;
6 gemäß der Offenbarung eine beispielhafte passive Aufhängungsbaugruppe darstellt, die zwischen einer Fahrzeugkarosserie und einer Fahrzeugradbaugruppe befestigt ist;
7 gemäß der Offenbarung eine andere beispielhafte passive Aufhängungsbaugruppe zeigt, die zwischen einer Fahrzeugkarosserie und einer Fahrzeugradbaugruppe befestigt ist;
8-1, 8-2 und 8-3 gemäß der Offenbarung Elemente einer Achsenbaugruppe für ein Fahrzeug darstellen, die Räder und Achsenabschnitte umfassen, welche an der Fahrzeugkarosserie und an einem Querstabilisator befestigt sind, der Elemente mit negativer Steifigkeit verwendet; und
9 gemäß der Offenbarung Betriebsdaten darstellt, die einem simulierten Verhalten eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das ein Manöver ausführt, welches das Verhalten des Aufhängungssystems testet, und Leistungsparameter umfassen, die bezogen auf die Zeit (in Sekunden) und die Frequenz (in Hz) gezeigt sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen das Gezeigte lediglich zu dem Zweck dient, bestimmte beispielhafte Ausführungsformen darzustellen, und nicht zu dem Zweck, selbige einzuschränken, stellt 1 schematisch eine passive Aufhängungsbaugruppe 20 dar, die ein Element 30 mit negativer Steifigkeit umfasst, das zum Dämpfen von Schwingungen zwischen einem gefederten Element 10 und einem ungefederten Element verwendet wird. Wie es gezeigt ist, ist das gefederte Element eine Karosserie 10 eines Fahrzeugs, und das ungefederte Element umfasst einen unteren Querlenker 14, der eine Radbaugruppe 18 trägt, die eine Bodenfläche berührt. Der untere Querlenker 14 ist an einem Scharnierpunkt 12 an der Karosserie 10 befestigt und arbeitet zusammen mit einem oberen Querlenker, um Sitzelemente zum Befestigen der Radbaugruppe 18 zu schaffen. Details für die Befestigung einer Fahrzeugradbaugruppe 18 sind bekannt und werden daher hierin nicht beschrieben. Die Aufhängungsbaugruppe 20 kann verwendet werden, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element in einem stationären Aufbau mit ähnlicher Wirkung zu dämpfen. Die Aufhängungsbaugruppe 20 umfasst ein Element 30 mit negativer Steifigkeit, um ein bevorzugtes Leistungsverhalten aufrechtzuerhalten, während statische und dynamische Laständerungen berücksichtigt werden, die das Tragen einer großen Last in Verbindung mit einer geringen dynamischen Steifigkeit zur Schwingungsisolation umfassen. Dies ermöglicht die Verringerung der gesamten Federrate auf Null oder in die Nähe von Null, während die statische Lasttragefähigkeit aufrechterhalten wird. Ein solches System liefert ein gewünschtes Fahrverhalten für den Insassenkomfort und eine Rad/Reifen-Straßengriffigkeit für die Sicherheit, während statische Laständerungen aufgrund von Massenänderungen berücksichtigt werden und dynamische Laständerungen während Fahrzeughandhabungsmanövern berücksichtigt werden. Die Begriffe Federrate, Federkonstante und Steifigkeit sind analoge Begriffe, die sich alle auf eine Änderung in der Kraft beziehen, die durch eine Feder bezogen auf die Auslenkung der Feder ausgeübt wird.
Die Aufhängungsbaugruppe 20 ist ein Last tragendes Element, das statische und dynamische Kräfte und Lasteingaben zwischen dem ungefederten Element 14 und dem gefederten Element 10, d.h. dem unteren Querlenker 14 und der Karosserie 10, trägt und überträgt. Die Aufhängungsbaugruppe 20 umfasst bei der gezeigten Ausführungsform eine Feder 24, einen Dämpfer 22 und das Element 30 mit negativer Steifigkeit, die parallel zwischen dem unteren Querlenker 14 und der Karosserie 10 angeordnet sind. Wie es gezeigt ist, enden die Feder 24 und der Dämpfer 22 gemeinsam an dem unteren Querlenker 14 an einem Schamierpunkt 15, und sie enden gemeinsam an der Karosserie an einem Scharnierpunkt 17. Das Element 30 mit negativer Steifigkeit endet an dem unteren Querlenker 14 an einem Scharnierpunkt 15', und es endet an der Karosserie an einem Scharnierpunkt 17'. Wie es gezeigt ist, sind der Scharnierpunkt 15 und der Scharnierpunkt 15' bei einer Ausführungsform unterschiedliche Punkte, was zu unterschiedlichen Hebelarmen für die Kräfte führt, die durch die unterschiedlichen Elemente ausgeübt werden. Alternativ sind der Scharnierpunkt 15 und der Scharnierpunkt 15' derselbe Punkt. Wie es gezeigt ist, sind der Scharnierpunkt 17 und der Scharnierpunkt 17' auf ähnliche Weise bei einer Ausführungsform unterschiedliche Punkte. Alternativ sind der Scharnierpunkt 17 und der Scharnierpunkt 17' derselbe Punkt. Bei einer Ausführungsform ist die Aufhängungsbaugruppe 20 ein passives Aufhängungssystem, das als ein Aufhängungssystem definiert ist, das keine äußeren Steuerelemente aufweist, die den Betrieb von Aufhängungseinrichtungen steuern, d.h. der Feder 24, des Dämpfers 22 und des Elements 30 mit negativer Steifigkeit. Die Feder 24 und der Dämpfer 22 sind als mechanische Einrichtungen dargestellt, sie können jedoch als beliebige geeignete Feder- und Dämpfereinrichtungen ausgebildet sein, die beispielsweise pneumatische Einrichtungen, hydraulische Einrichtungen, mechanische Einrichtungen und Kombinationen von diesen umfassen. Die Feder 24, der Dämpfer 22 und das Element 30 mit negativer Steifigkeit dämpfen eine Schwingungseingabe an das ungefederte Element 14 oder nehmen diese auf andere Weise auf, z.B. eine Schwingungseingabe an den unteren Querlenker 14, der die Fahrzeugradbaugruppe 18 in Kontakt mit der Bodenfläche trägt, während sich das Fahrzeug bewegt und während das Fahrzeug stationär ist. Das Aufhängungssystem 20 ist ausgebildet, um eine große Last mit einer geringen dynamischen Steifigkeit statisch zu tragen, welche eine Schwingungsisolation bewirkt. Vorzugsweise liegt die gesamte Federrate der kombinierten Elemente des Aufhängungssystems 20 um einen Punkt ohne Auslenkung herum bei oder in der Nähe von Null. Vorzugsweise liegt die gesamte Federrate der kombinierten Elemente des Aufhängungssystems 20 unter statischen Bedingungen in Ansprechen auf Schwankungen in der statischen Fahrzeuglast bei Null oder in der Nähe von Null, und sie spricht auf dynamische Laständerungen an, die mit der Fahrzeughandhabung, dem Kurvenfahren und rauen Straßenbedingungen verbunden sind.
Die Funktion des Elements 30 mit negativer Steifigkeit ist, eine Kraft in der Aufhängungsbaugruppe 20 zwischen dem gefederten Element 10 und dem ungefederten Element 14 einzuführen, die der Kraft entgegenwirkt, die durch die Feder 24 eingeführt wird, beispielsweise in die Aufhängung des Fahrzeugs unter statischen Bedingungen. Die Gegenkraft des Elements 30 mit negativer Steifigkeit unterstützt die Trennung des gefederten Elements 10 und des ungefederten Elements 14 solange, wie die Kraft, die auf das gefederte Element 10 wirkt, kleiner als eine Streckgrenze des Elements 30 mit negativer Steifigkeit ist, wobei beliebige Differenzen in den Hebelarmen der relevanten Elemente berücksichtigt werden. Das Element 30 mit negativer Steifigkeit liefert eine Kraft, die der Federkraft der Feder 24 entgegenwirkt, und es weist vorzugsweise eine negative Federrate mit einem Betrag auf, welche die positive Federrate der Feder 24 unter statischer Last an einem Punkt ohne Auslenkung der Aufhängungsbaugruppe 20 teilweise oder vollständig aufhebt.
2 zeigt graphisch eine Auslenkung (in m, Wegstrecke) an einer horizontalen Achse 120 und eine Last (N) an einer vertikalen Achse 110 für Aufhängungskomponenten, die eine lineare Feder und ein Element mit negativer Steifigkeit umfassen, wobei die Auslenkung zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element auftritt. Eine Federkonstante für eine lineare Feder ist durch die Linie 112 ohne eine Komponente dargestellt, die eine statische Last trägt, und sie zeigt eine lineare Beziehung k zwischen der Auslenkung und der Last. Die Linie 116 stellt eine idealisierte Auslenkung bezogen auf die Last für ein Aufhängungssystem dar, um eine Kraft zu erreichen, die zwischen dem gefederten Element und dem ungefederten Element ausgeübt wird, welche unabhängig von der Verschiebung im Wesentlichen konstant ist, wodurch eine im Wesentlichen konstante Kraft an dem gefederten Element, beispielsweise an der Fahrzeugkarosserie, unabhängig von der Kraft erreicht wird, die auf das ungefederte Element ausgeübt wird, beispielsweise auf ein Rad. Ein Element mit negativer Steifigkeit liefert eine Kraft, die der Federkraft 112 entgegenwirkt. Ein Element mit negativer Steifigkeit, das eine lineare Verschiebung aufweist, ist durch die Linie 114 zusammen mit einem Element mit negativer Steifigkeit dargestellt, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist, die durch die Linie 115 dargestellt ist. Die Linie 118 zeigt graphisch die Auslenkung für ein System, das die Federkonstante für die lineare Feder, die durch die Linie 112 dargestellt ist, und das Element mit negativer Steifigkeit kombiniert, das eine lineare Verschiebung aufweist, die durch die Linie 114 dargestellt ist. Die Linie 119 zeigt graphisch die Auslenkung für ein System, das die Federkonstante für die lineare Feder, die durch die Linie 112 dargestellt ist, und das Element mit negativer Steifigkeit kombiniert, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist, die durch die Linie 115 dargestellt ist. Das Verhalten, das durch die Linie 119 dargestellt ist und eine Auslenkung für ein System aufweist, das die Federkonstante für die lineare Feder, die durch die Linie 112 dargestellt ist, und das Element mit negativer Steifigkeit kombiniert, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist, erreicht ein Ergebnis, das bei geringen Auslenkungen eine geringe Federsteifigkeit bzw. eine Federsteifigkeit von Null aufweist, wobei die Steifigkeit bei größeren Auslenkungen zunimmt. Ein solches Federverhalten erreicht bevorzugte Leistungseigenschaften bezogen auf den Fahrkomfort für Insassen, die Handhabung des Fahrzeugs und die Bodenhaftungsfähigkeit, einschließlich einer weichen Federung (geringer Betrag der Federrate k), um eine Isolation zu erreichen, die zu einem von einem Bediener erwarteten komfortablen Fahrverhalten führt, in Kombination mit einer harten Federung (großer Betrag der Federrate k), um Roll- und Nickwinkel zu verringern, die mit Lenkungs- und Brems-/Beschleunigungs-Manövern verbunden sind.
Ein Element mit negativer Steifigkeit, das eine lineare Verschiebung über seinen gesamten Bereich aufweist, liefert ein verbessertes Fahrverhalten im Vergleich zu einem Element mit negativer Steifigkeit, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist. Ein Element mit negativer Steifigkeit, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist, trägt dazu bei, den Energieverbrauch bei scharfen Kurvenfahrmanövern zu verringern. Die Verwendung eines Elements mit negativer Steifigkeit, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist, kann die Notwendigkeit beseitigen, das Element mit negativer Steifigkeit während eines Fahrmanövers aktiv zu aktivieren und zu deaktivieren. Es kann weiterhin eine Präferenz bestehen, das Element mit negativer Steifigkeit derart zu konfigurieren, dass es für das Parken des Fahrzeugs und/oder für einen ausfallsicheren Betrieb aktiviert und deaktiviert wird.
3 zeigt ein Freikörperbild für ein Element mit negativer Steifigkeit und stellt eine Auslenkung sowie eine damit verbundene Kraft dar, die in einer ersten Richtung, z.B. einer nominellen vertikalen Richtung, in Ansprechen auf eine Kraft erzeugt wird, die in einer zweiten Richtung rechtwinklig zu der ersten Richtung, z.B. in einer nominellen horizontalen Richtung, ausgeübt wird. Wie es zeigt ist, sind starre Elemente 302 und 304 an einer Verbindung 305 in Reihe verbunden. Eine Kompressionskraft P 310, die an den distalen Enden der Elemente 302 und 304 in der horizontalen Richtung ausgeübt wird, übt an der Verbindung 305 eine Kraft F_N 320 in der vertikalen Richtung aus, die bezogen auf die Auslenkung δ 315 in der vertikalen Richtung ermittelt werden kann. Eine Steifigkeitskonstante K_N kann gemäß der nachfolgenden Beziehung ermittelt werden. $K_{N} = \frac{F_{N}}{δ} = \frac{2 P}{I}$
wobei I die Länge jedes der starren Elemente 302 und 304 ist.
Die Steifigkeitskonstante K_N gibt eine negative Federkonstante an, die dem Element mit negativer Steifigkeit zugeordnet ist. Die Steifigkeitskonstante K_N ist einstellbar, wobei die Steifigkeitskonstante K_N bezogen auf die Vorspannkraft P und die Länge I der starren Elemente 302 und 304 ermittelt wird. Die Steifigkeitskonstante K_N kann auf eine bevorzugte negative Steifigkeit eingestellt werden, indem die Länge I jedes der starren Elemente 302 und 304 variiert wird, indem die Vorspannung durch die Kraft P 310 variiert wird, die auf die distalen Enden der Elemente 302 und 304 in der horizontalen Richtung ausgeübt wird, und indem die Steifigkeit einer Feder angepasst wird, wenn eine solche Feder verwendet wird, um die Kraft P 310 auszuüben.
4 zeigt ein Freikörperbild für ein Aufhängungssystem, das eine Feder 420 in Kombination mit einem Element 430 mit negativer Steifigkeit in der Form von starren Elementen 402 und 404, die an einer Verbindung 405 in Reihe verbunden sind, und einer Kraft P 410, die an den distalen Enden der Elemente 402 und 404 in der horizontalen Richtung ausgeübt wird, umfasst. Die Feder 420 wirkt in einer horizontalen Richtung und weist eine Federkonstante Ks auf. Eine Kraft 425 der gefederten Masse wird auf das Aufhängungssystem an der Verbindung 405 in der vertikalen Richtung ausgeübt. Die gesamte Federkonstante K ist eine Differenz zwischen der Federkonstante K_S und der Steifigkeitskonstante K_N und kann gemäß der nachfolgenden Beziehung ermittelt werden. $K = K_{S} - K_{N}$
Ein Ziel der Systemkonstruktion ist es, dass die Steifigkeitskonstante K_N unter statischen Lastbedingungen die Federkonstante K_S teilweise oder vollständig aufhebt. Diese Konfiguration ermöglicht ein passives Aufhängungssystem, das in der Lage ist, eine große statische Last mit einer geringen dynamischen Steifigkeit zu tragen, um Schwingungen wirksam zu isolieren, während ermöglicht wird, dass die gesamte Federkonstante K unter statischen Lastbedingungen, die auf Änderungen in der statischen Last des Fahrzeugs ansprechen, gegen Null geht, und auf dynamische Laständerungen anspricht, die mit der Fahrzeughandhabung, dem Kurvenfahren und rauen Straßenbedingungen verbunden sind.
5 zeigt schematisch eine Ausführungsform 520 einer aktiven oder semiaktiven Aufhängungsbaugruppe, die zwischen einem gefederten Element, z.B. einer Fahrzeugkarosserie 510, und einem ungefederten Element, z.B. einer Fahrzeugradbaugruppe 518, befestigt ist. Die aktive Aufhängungsbaugruppe 520 umfasst bei dieser Ausführungsform eine Luftfeder 523, die ausgebildet ist, um eine Federfunktion und eine Dämpferfunktion zu liefern. Wie es gezeigt ist, verwendet die Luftfeder 523 komprimierte Luft aus einer fahrzeugeigenen Zufuhr 550 für unter Druck stehende Luft, um eine Niveaueinstellung zu bewirken. Die Zufuhr 550 für unter Druck stehende Luft kann betrieben werden, um eine langsame Niveaueinstellung zu bewirken. Obwohl dies hierin nicht gezeigt oder beschrieben ist, können weitere aktive Aufhängungsfunktionen eingebunden sein. Ein Element 530 mit negativer Steifigkeit ist parallel zwischen einem unteren Querlenker 514 und der Fahrzeugkarosserie 510 angeordnet. Das Element 530 mit negativer Steifigkeit umfasst mehrere Gestängebaugruppen, wobei jede Gestängebaugruppe eine obere Stange 532, die an einem Ende an einem Körper 522 der Luftfeder 523 und an einem zweiten Ende an einem Scharnier 533 befestigt ist, eine untere Stange 534, die an einem Ende an dem Scharnier 533 und an einem zweiten Ende an einem Scharnier 515 am unteren Querlenker 514 befestigt ist, und eine horizontale Stange 535 umfasst, die an einem Ende an dem Scharnier 533 und an einem zweiten Ende an einem Kolbenelement eines pneumatischen Zylinders 536 befestigt ist. Es sind zwei Gestängebaugruppen dargestellt. Im Betrieb wirkt ein Luftdruck, der aus der Luftzufuhr 550 stammt und durch ein Steuerventil 538 geleitet wird, auf die Kolbenelemente des pneumatischen Zylinders 536, um die horizontale Stange 535 in Richtung einer Längsachse der Aufhängungsbaugruppe 520 zu drücken. Der Druck auf die horizontale Stange 535 in Richtung der Längsachse der Aufhängungsbaugruppe 520 erzeugt eine vertikal aufwärts gerichtete Trennkraft an dem Körper 522 der Luftfeder 523 relativ zum unteren Querlenker 514 und zur Radbaugruppe 518. Eine solche Kraft bleibt wirksam, solange das Steuerventil 538 in eine aktivierte Position gesteuert ist, wie es gezeigt ist. Wenn das Steuerventil 538 deaktiviert wird, hört die Luft, die auf die Kolbenelemente des pneumatischen Ventils 536 wirkt, damit auf, die horizontale Stange 535 in Richtung einer Längsachse der Aufhängungsbaugruppe 520 zu drücken, und die Schwerkraft stellt das Aufhängungssystem 520 in einen Betriebszustand zurück, der das Element 530 mit negativer Steifigkeit nicht einbindet. Somit kann das Steuerventil 538 das Element 530 mit negativer Steifigkeit unter Verwendung des pneumatischen Zylinders 536 selektiv aktivieren und selektiv deaktivieren. Das Steuerventil 538 kann auch den Betrag der Federkraft einstellen, der durch das Element 530 mit negativer Steifigkeit ausgeübt wird, indem der Luftdruck in dem pneumatischen Zylinder 536 eingestellt wird.
6 zeigt schematisch eine Ausführungsform 620 einer hierin beschriebenen passiven Aufhängungsbaugruppe, die zwischen einer Fahrzeugkarosserie 610 und einer Fahrzeugradbaugruppe 618 befestigt ist. Die Aufhängungsbaugruppe 620 umfasst bei dieser Ausführungsform eine Feder 624, einen Dämpfer 622 und ein Element 630 mit negativer Steifigkeit, das parallel zwischen einem unteren Querlenker 614 und der Karosserie 610 angeordnet ist. Wie es gezeigt ist, sind die Feder 624 und der Dämpfer 622 passive Einrichtungen. Das Element 630 mit negativer Steifigkeit umfasst mehrere Gestängebaugruppen, wobei jede Gestängebaugruppe eine obere Stange 632, die an einem Ende an der Feder 624 und an einem zweiten Ende an einem Scharnier 633 befestigt ist, und eine untere Stange 634 umfasst, die an einem Ende am Scharnier 633 und an einem zweiten Ende an einem Scharnier 615 am unteren Querlenker 614 befestigt ist. Es sind zwei Gestängebaugruppen dargestellt, und eine Zugfeder 636 ist zwischen den Scharnieren 633 der Gestängebaugruppen befestigt. Im Betrieb übt die Zugfeder 636 eine Zugkraft zwischen den Scharnieren 633 gemäß einer negativen Federkonstante K_N der Zugfeder 636 aus. Die Zugkraft, die auf die Scharniere 633 ausgeübt wird, drückt die Scharniere 633 in Richtung der Längsachse der Aufhängungsbaugruppe 620, um eine vertikal aufwärts gerichtete Trennkraft an der Feder 624 relativ zum unteren Querlenker 614 und zur Radbaugruppe 618 zu erzeugen, wodurch die negative Steifigkeit bewirkt wird.
7 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform 720 einer hierin beschriebenen Aufhängungsbaugruppe, die zwischen einer Fahrzeugkarosserie 710 und einer Fahrzeugradbaugruppe 718 befestigt ist. Die Aufhängungsbaugruppe 720 umfasst bei dieser Ausführungsform eine Feder 724 und einen Dämpfer 722, die parallel zueinander und parallel zu einem Element 730 mit negativer Steifigkeit angeordnet sind. Ein Ende der Feder 724 und des Dämpfers 722 ist an einem Scharnier 715 mit einem unteren Querlenker 714 verbunden, und ein zweites entgegengesetztes Ende ist an einem Scharnier 717 an der Karosserie 710 befestigt. Das Element 730 mit negativer Steifigkeit umfasst eine Einrichtung 733 mit negativer Steifigkeit, die zwischen Elementen 713 und 716 eingebunden ist. Eine Verbindungspunkt 732 zeigt die Verbindung zwischen der Einrichtung 733 mit negativer Steifigkeit und dem Element 716. Das Element 716 ist am Scharnier 717 oder in dessen Nähe an der Karosserie 710 befestigt, vorzugsweise auf eine solche starre Weise, dass es sich nicht bezogen auf die Karosserie 710 dreht. Das Element 713 ist starr mit dem unteren Querlenker 714 verbunden, und beide sind mit einem Scharnier 712 derart verbunden, dass eine Bewegung des Rades 718 relativ zur Karosserie 710, die eine Drehung des unteren Querlenkers 714 am Scharnier 712 bewirkt, ebenso eine gleiche Drehung des Elements 713 bewirkt. Die Drehung des Elements 713 bewirkt eine Reaktion durch die Einrichtung 733 mit negativer Steifigkeit. Die Einrichtung 733 mit negativer Steifigkeit ist ausgebildet, um eine Kompressionskraft auszuüben und dadurch den unteren Querlenker 714 abwärts zu drücken, wodurch sie auf eine Weise analog zu den Elementen mit negativer Steifigkeit wirkt, die vorstehend beschrieben sind.
8-1 zeigt eine Achsenbaugruppe für ein Fahrzeug, die Räder 818, Achsenabschnitte 814, die an der Fahrzeugkarosserie 810 befestigt sind, und einen Querstabilisator 820 umfasst. Der Querstabilisator 820 ist mittels Halterungen 821 an der Karosserie 810 befestigt und mit den Achsenabschnitten 814 verbunden. Elemente 830 mit negativer Steifigkeit sind an einer rechten Seite des Fahrzeugs und einer linken Seite des Fahrzeugs angeordnet. Jedes Element 830 mit negativer Steifigkeit umfasst starre Elemente 832, die rechtwinklig zum Querstabilisator 820 verlaufen und mit diesem starr verbunden sind. Vorzugsweise verlaufen die starren Elemente 832 parallel zur Bodenoberfläche. Bei einer Ausführungsform steht jedes starre Element 832 bezüglich des Querstabilisators 820 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung hervor. Jedes der starren Elemente 832 weist ein Ende auf, das mit einem ersten Ende einer Feder 834 verbunden ist. Ein zweites entgegengesetztes Ende der Feder 834 ist mit der Karosserie 810 verbunden. Unter statischen Bedingungen und bei einem Fahrzeugbetrieb im stationären Zustand stehen die entgegengesetzten Federn 834, die mit den entgegengesetzten starren Elementen 832 verbunden sind, unter Kompression und üben entgegengesetzte Normalkräfte in die Richtung des Querstabilisators 820 aus, um die negative Steifigkeit zu erzeugen, wie es unter Bezugnahme auf 8-2 gezeigt ist. Unter Bedingungen, bei denen eine vertikale Bewegung eines der Räder 818 relativ zur Karosserie 810 vorliegt, beispielsweise bei einer Kurvenfahrt des Fahrzeugs oder unter einer rauen Straßenbedingung, die eine Verdrehung einer oder beider Seiten des Querstabilisators 820 bewirkt, sind die entgegengesetzten Federn 834, die mit den Enden der starren Elemente 832 verbunden sind, ausgedehnt, und sie üben Torsionskräfte auf den Querstabilisator 820 in einer Richtung aus, welche dieselbe ist wie diejenige der bewirkten Verdrehung, und sie stören daher die Funktion des Querstabilisators 820 nicht, wie unter Bezugnahme auf 8-3 gezeigt ist.
9 zeigt graphisch Betriebsdaten, die einem simulierten Verhalten eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das ein Manöver ausführt, welches das Verhalten des Aufhängungssystems testet, beispielsweise ein Schaukelmanöver. Die Daten umfassen verschiedene Leistungsparameter, die bezogen auf die Zeit (in Sekunden) 140 oder bezogen auf die Frequenz (in Hz) 145 gezeigt sind. Die Parameter umfassen eine Hebebeschleunigung (in g) 150, einen Rollwinkel (in Grad) 160, eine Nickrate (in Grad/s) 170, einen Kraftstoß (in kN) 180, eine Hebung (in m) 190, die alle auf die Zeit 140 bezogen sind. Die Parameter umfassen die Hebebeschleunigung (in g) 155, eine Rollrate (in Grad/s) 165, die Nickrate (in Grad/s) 175, eine Strömung (in l/min) 185 und eine Einfederung 195, die alle auf die Frequenz 145 bezogen sind. Jede der Graphiken umfasst Daten, die einen Fahrzeugbetrieb mit einem bekannten gesteuerten oder aktiven Aufhängungssystem, das magnetorheologische Dämpfer 142 verwendet, einen Fahrzeugbetrieb mit einem Aufhängungssystem, das hierin beschrieben ist und ein passives System mit einem Element 144 mit negativer Steifigkeit verwendet, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist, und einen Fahrzeugbetrieb mit einem Aufhängungssystem umfassen, das hierin beschrieben ist und ein passives System mit einem Element 146 mit negativer Steifigkeit verwendet, das eine lineare Verschiebung aufweist. Diese Analyse der Daten gibt an, dass ein Aufhängungssystem, das ein passives Element mit negativer Steifigkeit verwendet, das aktive Aufhängungssystem in jedem der Parameter übertrifft.
Ein Fahrzeug, das mit einem Aufhängungssystem arbeitet, das ein passives System mit einem Element mit negativer Steifigkeit verwendet, kann eine von einer Vielzahl von Technologien einsetzen, welche die negative Steifigkeit anwenden und in das Aufhängungssystem integriert werden können, das ein Federbein an einer Ecke oder einen Querstabilisator umfasst, einschließlich von Systemen, die eine Niveauregulierung für ein Fahrzeug verwenden, beispielsweise eine Luftfeder an den vier Ecken. Die Elemente mit negativer Steifigkeit können Mechanismen zum Anpassen des Elements mit negativer Steifigkeit relativ zu einer positiven Aufhängungsfeder und einen Mechanismus zum Deaktivieren des Elements mit negativer Steifigkeit umfassen. Ein Element mit negativer Steifigkeit, das nichtlineare Eigenschaften der negativen Steifigkeit verwendet, kann ferner Elemente mit negativer Steifigkeit in einem Querstabilisator anwenden, um eine Notwendigkeit des Aktivierens und Deaktivierens des Systems während Handhabungsmanövern zu vermeiden.
Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können Anderen während des Lesens und Verstehens der Beschreibung auffallen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die spezielle Ausführungsform bzw. die speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise offenbart wird bzw. werden, die für die Ausführung dieser Offenbarung in Erwägung gezogen wird, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) zwischen einem gefederten Element (510, 610, 710) und einem ungefederten Element (514, 614, 714), umfassend: eine Last tragende Feder (522, 622, 724), die parallel zu einem Element (530, 630, 730) mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element (510, 610, 710) und dem ungefederten Element (514, 614, 714) angeordnet ist; wobei die Feder (522, 622, 724) mit einer positiven Federrate ausgebildet ist, um eine statische Last des gefederten Elements (510, 610, 710) zu tragen; wobei das Element (530, 630, 730) mit negativer Steifigkeit eine obere Stange (532, 632, 716), die mit dem gefederten Element (510, 610, 710) an einem Scharnier verbunden ist, eine untere Stange (534, 634, 713), die mit dem ungefederten Element (514, 614, 714) an einem Scharnier (515, 615, 712) verbunden ist, und eine Einrichtung (535, 536, 636, 733) mit negativer Steifigkeit umfasst; wobei die obere Stange (532, 632) und die untere Stange (534, 634) an einem Scharnier (533, 633) verbunden sind, auf das die Einrichtung (535, 536, 636) eine Zugkraft ausübt, um eine aufwärts gerichtete Trennkraft an dem gefederten Element (510, 610) relativ zu dem ungefederten Element (514, 614) zu erzeugen, oder wobei die Einrichtung (733) zwischen der oberen Stange (716) und der unteren Stange (713) eingebunden ist, um eine Kompressionskraft auszuüben und dadurch das ungefederte Element (714) abwärts zu drücken; und wobei das Element (530, 630, 730) mit negativer Steifigkeit derart ausgebildet ist, dass es eine negative Federrate aufweist und eine Kraft entgegengesetzt zu der Federrate der Feder (522, 622, 724) ausübt, wobei die negative Federrate einen Betrag aufweist, der die positive Federrate an einem Null-Auslenkungspunkt der Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) aufhebt.
Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) nach Anspruch 1, wobei die negative Federrate einen Betrag aufweist, der die positive Federrate an einem Null-Auslenkungspunkt der Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) vollständig aufhebt.
Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) nach Anspruch 1, wobei die negative Federrate einen Betrag aufweist, der die positive Federrate an einem Null-Auslenkungspunkt der Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) teilweise aufhebt.
Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) nach Anspruch 1, wobei die Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) eine passive Einrichtung umfasst.
Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) nach Anspruch 1, wobei die negative Federrate des Elements (530, 630, 730) mit negativer Steifigkeit nichtlinear ist.
Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (535, 536, 636, 733) mit negativer Steifigkeit einen pneumatischen Zylinder (536) umfasst.
Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) nach Anspruch 7, die ferner ein Steuerventil (538) umfasst, das ausgebildet ist, um eine Luftströmung zu dem pneumatischen Zylinder (536) zu steuern, um das Element (530, 630, 730) mit negativer Steifigkeit selektiv zu aktivieren und selektiv zu deaktivieren.
Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (535, 536, 636, 733) mit negativer Steifigkeit eine Zugfeder (636) umfasst.
Aufhängungsbaugruppe (520, 620, 720) nach Anspruch 1, die ferner einen hydraulischen Dämpfer (722) umfasst, der parallel zu der Feder (724) angeordnet ist.