DE102014118609A1

DE102014118609A1 - Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Aufhängungsdämpfung mit einer negativen Steifigkeit

Info

Publication number: DE102014118609A1
Application number: DE102014118609.5A
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: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: US9365089B2; DE102014118609B4; CN104709023A; US20150165858A1; CN104709023B

Abstract

Ein Aufhängungssystem zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element umfasst ein aktives Aufhängungssystem mit einem steuerbaren, Last tragenden Federelement, das mit einem Element mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element und dem ungefederten Element angeordnet ist. Das Element mit negativer Steifigkeit weist eine negative Steifigkeitskonstante auf, die einer positiven Federrate des aktiven Aufhängungssystems entgegenwirkt, um unter statischen Bedingungen eine gesamte Federsteifigkeit der Aufhängungsbaugruppe von Null zu erreichen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Einrichtungen zum Dämpfen von Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element unter Verwendung aktiver Elemente.
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 zu entkoppeln, indem die Schwingungseingaben absorbiert und dissipiert werden, die an einem ungefederten Element erfahren 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 oder 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.
Aktive Fahrzeugaufhängungssysteme verwenden Aktuatoren, die verschiedene Aufhängungsparameter steuern, um eines oder mehrere des Fahrkomforts für Insassen, der Fahrzeughandhabung und der Bodenhaftungsfähigkeit während des Fahrzeugbetriebs in Ansprechen auf Betriebsbedingungen dynamisch einzustellen. Solche Aktuatoren werden durch hydraulische, pneumatische oder andere Energiequellen gesteuert, die fahrzeugeigene Energie verbrauchen können.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Aufhängungssystem zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element umfasst ein aktives Aufhängungssystem mit einem steuerbaren, Last tragenden Federelement, das mit einem Element mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element und dem ungefederten Element angeordnet ist. Das Element mit negativer Steifigkeit weist eine negative Steifigkeitskonstante auf, die einer positiven Federrate des aktiven Aufhängungssystems entgegenwirkt, um unter statischen Bedingungen eine gesamte Federsteifigkeit der Aufhängungsbaugruppe von Null zu erreichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 gemäß der Offenbarung eine Aufhängungsbaugruppe 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 der horizontalen Achse und eine Last (in N) an der vertikalen Achse für Aufhängungskomponenten darstellt, die eine Feder und ein Element mit negativer Steifigkeit aufweisen;
3 gemäß der Offenbarung ein Freikörperbild für eine Ausführungsform einer Aufhängungsbaugruppe darstellt, die ein aktives Aufhängungssystem und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, die zum Dämpfen von Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element verwendet werden;
4 gemäß der Offenbarung eine beispielhafte Aufhängungsbaugruppe darstellt, die ein aktives Aufhängungssystem und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element aktiv zu dämpfen;
5 gemäß der Offenbarung eine andere beispielhafte Aufhängungsbaugruppe darstellt, die ein aktives Aufhängungssystem und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element aktiv zu dämpfen;
6 gemäß der Offenbarung eine andere beispielhafte Aufhängungsbaugruppe darstellt, die ein aktives Aufhängungssystem und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element aktiv zu dämpfen;
7-1 gemäß der Offenbarung eine andere beispielhafte Aufhängungsbaugruppe darstellt, die ein aktives Aufhängungssystem und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element aktiv zu dämpfen;
7-2 gemäß der Offenbarung eine schematische Seitenansicht eines Elements mit negativer Steifigkeit darstellt, das eine erste Permanentmagnetbaugruppe koaxial zu einer zweiten Permanentmagnetbaugruppe umfasst;
8 gemäß der Offenbarung eine andere beispielhafte Aufhängungsbaugruppe darstellt, die ein aktives Aufhängungssystem und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element aktiv zu dämpfen;
9 gemäß der Offenbarung eine Aufhängungskonfiguration darstellt, die einen Querstabilisator umfasst, der Elemente mit negativer Steifigkeit verwendet und an Fahrzeugräder ankoppelt;
10 gemäß der Offenbarung eine Aufhängungskonfiguration darstellt, die Torsionsstangen umfasst, die Elemente mit negativer Steifigkeit verwenden und an Fahrzeugräder ankoppeln;
11 gemäß der Offenbarung eine Querschnittsansicht eines Elements mit negativer Steifigkeit darstellt, das ausgebildet ist, um mit einem Aufhängungselement in Wechselwirkung zu stehen;
12-1 gemäß der Offenbarung Betriebsdaten darstellt, die einem simulierten Verhalten eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das ein Manöver ausführt, um das Verhalten des Aufhängungssystems zu bewerten, und eine Fahrzeughebebeschleunigung (in g) bezogen auf die Zeit (in Sekunden) umfasst;
12-2 gemäß der Offenbarung Betriebsdaten darstellt, die einem simulierten Verhalten eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das ein Manöver ausführt, um das Verhalten des Aufhängungssystems zu bewerten, und eine Fahrzeughebebeschleunigung (in g) bezogen auf die Frequenz (in Hz) umfasst;
12-3 gemäß der Offenbarung Betriebsdaten darstellt, die einem simulierten Verhalten eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das ein Manöver ausführt, um das Verhalten des Aufhängungssystems zu bewerten, und einen Energiefluss (in l/min) bezogen auf die Frequenz (in Hz) umfasst;
13 gemäß der Offenbarung eine Freikörperbild darstellt, das Kräfte und Hebelarme für eine Ausführungsform des aktiven Aufhängungssystems von 6 darstellt, das ein Element mit negativer Steifigkeit in der Form einer Feder unter Spannung zwischen distalen Enden starrerer Elemente aufweist, die jeweils proximale Enden aufweisen, die an eine Verbindung ankoppeln;
14 gemäß der Offenbarung eine Auslenkung (in m, Wegstrecke) bezogen auf eine Last (in N) für eine Ausführungsform des Aufhängungssystems darstellt, das hierin beschrieben ist und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst; und
15 gemäß der Offenbarung eine Auslenkung (in m, Wegstrecke) bezogen auf eine Last (in N) für eine Ausführungsform des Aufhängungssystems darstellt, das hierin beschrieben ist und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, das mehrere nichtlineare Verschiebungen aufweist, die durch mehrere anfängliche Auslenkungspunkte angegeben 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 Aufhängungsbaugruppe 16 dar, die ein Last tragendes aktives Aushängungssystem 20 und ein Element 30 mit negativer Steifigkeit umfasst, das zum Dämpfen von Schwingungen zwischen einem gefederten Element 10 und einem ungefederten Element 18 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. Das aktive Aufhängungssystem 20 ist ausgebildet, um eine vollständig aktive Aufhängung, beispielsweise ein aktives hydropneumatisches System (AHP-System), für eine verbesserte Lastaufnahme und verbesserte Niveauregulierung sowie ein verbessertes Fahr- und Handhabungsverhalten in Ansprechen auf eine statische Last und dynamische Kräfte, die auf das Fahrzeug wirken, bereitzustellen.
Aktive Aufhängungssysteme umfassen Hardware und Steuermechanismen, die auf statische Lasten, dynamische Lasten und eine Lastübertragung, auf das Parken eines Fahrzeugs und auf ausfallsichere Betriebsweisen ansprechen. Die Hardware und die Steuermechanismen für eine Trimmung und eine Niveaueinstellung eines Fahrzeugs sind ausgebildet, um auf statische Lasten und Änderungen der statischen Last anzusprechen. Die Hardware und die Steuermechanismen, die ausgebildet sind, um eine Verriegelung der Niveaueinstellung zu bewirken, sprechen auf Parkmanöver des Fahrzeugs an. Die Hardware und die Steuermechanismen, die auf dynamische Lasten und eine Lastübertragung, auf das Parken des Fahrzeugs und auf ausfallsichere Betriebsweisen ansprechen, umfassen vorzugsweise Deaktivierungsmechanismen, um ein oder mehrere Elemente des aktiven Aufhängungssystems zu aktivieren. Die Hardware und die Steuermechanismen, die auf dynamische Lasten und eine Lastübertragung ansprechen, umfassen vorzugsweise Mechanismen, die große Dämpfungskräfte oder eine feste Aufhängung bewirken, um übermäßig schnelle Schwankungen in der Einstellung des Fahrzeugs während des Kurvenfahrens, der Beschleunigung und der Verlangsamung zu vermeiden und um einen Kontaktverlust zwischen einzelnen Rädern und dem Boden zu verhindern. 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.
Das Element 30 mit negativer Steifigkeit wechselwirkt mit dem aktiven Aufhängungssystem 20, um ein bevorzugtes Fahr- und Handhabungsverhalten zu schaffen, während statische und dynamische Laständerungen berücksichtigt werden, die das Tragen einer großen Last in Verbindung mit einer geringen dynamischen Steifigkeit zum Isolieren von Schwingungen umfassen. Dies ermöglicht die Verringerung der gesamten Federrate des Aufhängungssystems 16 auf einen Betrag, der bei Null oder in der Nähe von Null liegt, während die statische Lasttragefähigkeit aufrecht erhalten wird. Das Aufhängungssystem 16 bewirkt ein bevorzugtes Fahrverhalten für den Insassenkomfort und eine Rad/Reifen-Straßengriffigkeit für die Sicherheit, während es eine Empfindlichkeit gegenüber statischen Laständerungen aufgrund von Massenänderungen und gegenüber dynamischen Laständerungen während Handhabungsmanövern aufweist und der Energieverbrauch des aktiven Aufhängungssystems 20 minimiert wird. Ein Controller 55 ist ausgebildet, um Elemente des aktiven Aufhängungssystems 20 und das Element 30 mit negativer Steifigkeit in Ansprechen auf die Änderungen in Betriebsbedingungen zu steuern, wie sie durch fahrzeugeigene Sensoren und modellierte Leistungsparameter angegeben werden. Das aktive Aufhängungssystem 20 umfasst ein Last tragendes Element, das statische und dynamische Kräfte sowie Lasteingaben zwischen dem ungefederten Element 14 und dem gefederten Element 10, d. h. zwischen dem unteren Querlenker 14 und der Karosserie 10, trägt und überträgt. Wie es gezeigt ist, ist das Element 30 mit negativer Steifigkeit parallel zu dem aktiven Aufhängungssystem 20 angeordnet. Wie es gezeigt ist, enden das aktive Aufhängungssystem 20 und das Element 30 mit negativer Steifigkeit gemeinsam an einem Scharnierpunkt 17 an der Karosserie 10, und sie enden gemeinsam an einem Scharnierpunkt 15 an dem unteren Querlenker 14.
Das Element 30 mit negativer Steifigkeit wirkt gemeinsam mit dem aktiven Aufhängungssystem 20 zwischen dem gefederten Element 10 und dem ungefederten Element 14, was umfasst, dass eine Federkraft eingeführt wird, die der Federkraft entgegenwirkt, die durch das aktive Aufhängungssystem 20 eingeführt wird. Die Gegenkraft des Elements 30 mit negativer Steifigkeit unterstützt die Trennung des gefederten Elements 10 und des ungefederten Elements 14. Das Element 30 mit negativer Steifigkeit weist vorzugsweise eine negative Steifigkeitskonstante mit einem Betrag auf, der die positive Federrate des aktiven Aufhängungssystems 20 aufhebt, um bei kleinen Auslenkungen des aktiven Aufhängungssystems 20 unter statischen Bedingungen eine geringe gesamte Federsteifigkeit oder eine gesamte Federsteifigkeit von Null zu erreichen.
Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten eine beliebige geeignete oder verschiedene Kombinationen eines anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASIC) oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise, eines elektronischen Schaltkreises oder mehrerer elektronischer Schaltkreise, einer zentrale Verarbeitungseinheit oder mehrerer zentraler Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise ein Mikroprozessor bzw. Mikroprozessoren) und eines zugeordneten Speichers und einer zugeordneten Archivierung (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Arbeitsspeicher, Festplatte usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eines Schaltkreises der Schaltungslogik oder mehrerer Schaltkreise der Schaltungslogik, einer oder mehrerer Eingabe/Ausgabe-Schaltung(en) und -Einrichtungen, geeigneter Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen sowie anderer geeigneter Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Ausdrücke bedeuten beliebige durch einen Controller ausführbare Anweisungssätze, die Kalibrierungen und Nachschlagetabellen umfassen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steuerroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen zu schaffen. Die Routinen werden beispielsweise von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Detektionseinrichtungen und anderen Steuermodulen im Netzwerk zu überwachen sowie Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktuatoren zu steuern. Die Schleifenzyklen können während des laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise jede 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Routinen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
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 Feder und ein Element mit negativer Steifigkeit umfassen, wobei die Auslenkung zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element auftritt. Eine gesamte positive Federrate der Aufhängung ohne ein Element mit negativer Steifigkeit 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 Federkraft, die der Federrate 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 Federrate für die lineare Feder, die durch die Linie 112 dargestellt ist, und die Federrate für 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 Federrate für die Aufhängung, die durch die Linie 112 dargestellt ist, und die Federrate für 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 Federrate für die Aufhängung, die durch die Linie 112 dargestellt ist, und die Federrate für das Element mit negativer Steifigkeit kombiniert, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist, erreicht bei geringen Auslenkungen eine geringe gesamte Federsteifigkeit oder eine gesamte Federsteifigkeit von Null, 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 (numerisch kleine Federrate k), um eine gute Isolation und dadurch ein von einem Bediener erwartetes komfortables Fahrverhalten zu erzeugen, in Kombination mit einer harten Federung (numerisch große Federrate k), um den Roll- und den 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 eine Ausführungsform einer Aufhängungsbaugruppe, die ein aktives Aufhängungssystem 320 und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, die verwendet werden, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element zu dämpfen. Das aktive Aufhängungssystem 320 umfasst eine Feder mit einer Steifigkeitskonstante K_SV und ein steuerbares Dämpferelement, das dynamisch eingestellt werden kann. Das Element mit negativer Steifigkeit ist in der Form starrer Elemente 302 und 304, die parallel an einer Verbindung 305 verbunden sind, und einer Kraft P 310 gezeigt, die auf die distalen Enden der Elemente 302 und 304 in einer nominell horizontalen Richtung ausgeübt wird. Das Element mit negativer Steifigkeit wird anhand einer negativen Steifigkeitskonstante K_N beschrieben. Die negative Steifigkeitskonstante K_N ist einstellbar und kann bezogen auf die Vorspannkraft P 310 und die Längen der starren Elemente 302 und 304 ermittelt werden. Die negative Steifigkeitskonstante K_N kann auf eine bevorzugte negative Steifigkeit eingestellt werden, indem die Länge l jedes der starren Elemente 302 und 304 variiert wird und 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, was umfasst, dass die Steifigkeit einer Feder eingestellt wird, die in dem Aufhängungssystem zum Bewirken der Vorspannkraft P 310 verwendet wird. Somit kann die negative Steifigkeitskonstante K_N gemäß der folgenden Beziehung ermittelt werden:
wobei F_N die gesamte, nominell horizontale Normalkraft ist, die auf die starren Elemente 302 und 304 ausgeübt wird,

δ: die Auslenkung der starren Elemente 302 und 304 in der nominell vertikalen Richtung an der Verbindung 305 ist und
l: die Länge jedes der starren Elemente 302 und 304 ist.

Die steuerbare Feder 320 wirkt in der nominell vertikalen Richtung mit der dynamisch einstellbaren Steifigkeitskonstante K_SV. Eine Kraft 325 wird durch das gefederte Element an der Verbindung 305 in der vertikalen Richtung auf das Aufhängungssystem ausgeübt. Die gesamte Federkonstante K für das Aufhängungssystem ist eine Differenz zwischen der dynamisch einstellbaren Steifigkeitskonstante K_SV und der negativen Steifigkeitskonstante K_N und kann gemäß der nachfolgenden Beziehung ermittelt werden. K = K_SV – K_N [2]
Die dynamisch einstellbare Steifigkeitskonstante K_SV wird vorzugsweise bezogen auf die negative Steifigkeitskonstante K_N derart gesteuert, dass die gesamte Federkonstante K unabhängig von dem Betrag der Kraft 325, die durch das gefederte Element an der Verbindung 305 in der vertikalen Richtung auf das Aufhängungssystem ausgeübt wird, an der Verbindung 305 zu einer vertikalen Auslenkung des gefederten Elements von Null führt. Diese Konfiguration ermöglicht ein Aufhängungssystem, das in der Lage ist, eine große statische Last mit einer geringen dynamischen Steifigkeit zu tragen, um Schwingungen wirksam zu isolieren, während eine gesamte steuerbare Federkonstante ermöglicht wird, die in Ansprechen auf Schwankungen in der statischen Fahrzeuglast und in Ansprechen auf dynamische Laständerungen, die mit der Fahrzeughandhabung, dem Kurvenfahren und rauen Straßenbedingungen verbunden sind, gegen Null geht.
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Aufhängungsbaugruppe 16, die ein aktives Aufhängungssystem 20 und ein Element 430 mit negativer Steifigkeit umfasst, die durch einen Controller 55 gesteuert werden, um Schwingungen zwischen dem gefederten Element 10, z. B. einer Fahrzeugkarosserie, und dem ungefederten Element 18, z. B. einem Rad, aktiv zu dämpfen, um während des laufenden Betriebs dynamisch bevorzugte Betriebsparameter zu erreichen, die dem Fahrkomfort für Insassen, der Fahrzeughandhabung und der Bodenhaftungsfähigkeit zugeordnet sind. Die hierin gezeigte Aufhängungsbaugruppe 16 ist einer einzelnen der Ecken oder einem einzelnen der Räder eines Kraftfahrzeugs zugeordnet. Ein Fahrzeug mit vier Rädern kann die Aufhängungsbaugruppe 16 an allen vier Ecken verwenden. Alternativ kann ein Fahrzeug mit vier Rädern die Aufhängungsbaugruppe 16 an den vorderen Ecken verwenden, wobei Teile der Aufhängungsbaugruppe 16, beispielsweise das aktive Aufhängungssystem 20, an den hinteren Ecken in Verbindung mit einem Querstabilisator oder Torsionsstangen verwendet werden. Querstabilisatoren und Torsionsstangen können ebenso an den vorderen Ecken verwendet werden.
Das aktive Aufhängungssystem 20 umfasst eine Gasfeder 22, einen Zylinder 24, ein erstes Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen und eine Fluidquelle 28 mit konstantem Druck. Die Quelle 28 mit konstantem Druck führt dem Zylinder 24 ein Fluid, beispielsweise Luft oder ein Hydraulikfluid, bei einem konstanten Druck zu, der eine vertikale Kraft an einem Kolben 25 erzeugt, die über ein vertikales Element auf eine Verbindung 405 in dem Element 430 mit negativer Steifigkeit übertragen wird. Der Zylinder 24 ist auch fluidisch mit der Gasfeder 22 gekoppelt, um über den Zylinder 24 eine dynamisch einstellbare Federfunktion für das aktive Aufhängungssystem 20 zu liefern. Der Zylinder 24 ist ferner fluidisch über ein zweites Strömungssteuerventil 32 mit mehreren Zuständen mit dem Element 430 mit negativer Steifigkeit gekoppelt.
Das Element 430 mit negativer Steifigkeit weist entgegengesetzte Fluidzylinder 432 und 434 auf, die in einem Rahmen 431 befestigt sind, der mit dem Zylinder 24 starr verbunden ist. Bewegbare Kolben in den entgegengesetzten Fluidzylindern 432 und 434 sind jeweils an distalen Enden mit starren Elementen 402 und 404 verbunden und weisen jeweils proximale Enden auf, die mit der Verbindung 405 gekoppelt sind. Der Druck in den Fluidzylindern 432 und 434 stammt aus der Quelle 28 mit konstantem Druck und wird über den Zylinder 24 und das zweite Strömungssteuerventil 32 mit mehreren Zuständen übertragen. Die Fluidzylinder 432 und 434 erzeugen bei dieser Ausführungsform eine Kompressionskraft an den distalen Enden der starren Elemente 402 und 404, um den unteren Querlenker 414 von der Karosserie 10 wegzudrücken, um die negative Steifigkeit zu bewirken. Spezielle Konstruktionsmerkmale, einschließlich der Längen der starren Elemente 402 und 404 und der Federkonstante der Gasfeder 22, werden ausgewählt, um unter einer statischen Last eine gesamte Federkonstante K der kombinierten Elemente des aktiven Aufhängungssystems 20 zu erreichen, die bei oder in der Nähe von Null liegt.
Wenn das erste Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen im Betrieb in eine erste Position gesteuert wird (wie es gezeigt ist) und das zweite Strömungssteuerventil 32 mit mehreren Zuständen in eine erste Position gesteuert wird (wie es gezeigt ist), arbeitet das aktive Aufhängungssystem 20 gemeinsam mit dem Element 430 mit negativer Steifigkeit. Das Element 430 mit negativer Steifigkeit kann deaktiviert werden, indem das zweite Strömungssteuerventil 32 mit mehreren Zuständen in eine zweite Position gesteuert wird, wodurch ermöglicht wird, dass das Fluid zu einem Reservoir 40 abgelassen wird. Diese Maßnahme beseitigt die negative Steifigkeit, was während Straßenhandhabungsmanövern und Ereignissen auf einer rauen Straße, bei Parkmanövern und als Teil eines ausfallsicheren Systems wünschenswert sein kann.
5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der Aufhängungsbaugruppe 16, die ein aktives Aufhängungssystem 20 und ein Element 530 mit negativer Steifigkeit umfasst, die durch einen Controller 55 gesteuert werden, um Schwingungen zwischen dem gefederten Element 10, beispielsweise einer Fahrzeugkarosserie, und dem ungefederten Element 18, beispielsweise einem Rad, aktiv zu dämpfen, um während des laufenden Betriebs bevorzugte Betriebsparameter zu erreichen, die dem Fahrkomfort für Insassen, der Fahrzeughandhabung und der Bodenhaftungsfähigkeit zugeordnet sind. Die hierin gezeigte Aufhängungsbaugruppe 16 ist einer einzelnen der Ecken oder einem einzelnen der Räder eines Kraftfahrzeugs zugeordnet.
Das aktive Aufhängungssystem 20 umfasst eine Gasfeder 22, einen Zylinder 24, ein erstes Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen und eine Fluidquelle 28 mit konstantem Druck. Die Quelle 28 mit konstantem Druck führt den Zylinder 24 ein Fluid, beispielsweise Luft oder ein Hydraulikfluid, bei einem konstanten Druck zu, der eine vertikale Kraft an einem Kolben erzeugt, die über ein vertikales Element auf eine Verbindung 505 in dem Element 530 mit negativer Steifigkeit übertragen wird. Der Zylinder 24 ist auch fluidisch mit der Gasfeder 22 gekoppelt, um eine Federfunktion zu liefern. Der Zylinder 24 ist ferner über ein zweites Strömungssteuerventil 32 mit mehreren Zuständen mit dem Element 530 mit negativer Steifigkeit fluidisch gekoppelt.
Das Element 530 mit negativer Steifigkeit umfasst erste entgegengesetzte Elemente 531, die mit dem Zylinder 24 gekoppelt sind und an einer Verbindung 503 mit zweiten entgegengesetzten Elementen 535 gekoppelt sind, die an einer Verbindung 505 mit dem unteren Querlenker 14 gekoppelt sind. Starre Elemente 502 und 504 weisen distale Enden, die an die Verbindung 503 ankoppeln, und proximale Enden auf, die an die Verbindung 505 ankoppeln. Entgegengesetzte Fluidzylinder 532 und 534 sind jeweils mit den distalen Enden der starren Elemente 502 und 504 verbunden. Die Fluidzylinder 532 und 534 erzeugen bei dieser Ausführungsform eine Zugkraft an den distalen Enden der starren Elemente 502 und 504, um den unteren Querlenker 14 von der Karosserie 10 wegzudrücken, um die negative Steifigkeit zu bewirken. Der Druck in den Fluidzylindern 532 und 534 stammt aus der Quelle 28 mit konstantem Druck und wird über den Zylinder 24 und das zweite Strömungssteuerventil 32 mit mehreren Zuständen übertragen. Spezielle Konstruktionsmerkmale, einschließlich der Längen der starren Elemente 502 und 504 sowie der Federkonstante der Gasfeder 22, werden ausgewählt, um eine gesamte Federkonstante K der kombinierten Elemente des aktiven Aufhängungssystems 20 zu erreichen, die unter einer statischen Last bei oder in der Nähe von Null liegt.
Wenn das erste Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen in eine erste Position gesteuert wird (wie es gezeigt ist) und das zweite Strömungssteuerventil 32 mit mehreren Zuständen in eine erste Position gesteuert wird (wie es gezeigt ist), arbeitet das aktive Aufhängungssystem 20 gemeinsam mit dem Element 530 mit negativer Steifigkeit. Das Element 530 mit negativer Steifigkeit kann deaktiviert werden, indem das zweite Strömungssteuerventil 32 mit mehreren Zuständen in eine zweite Position gesteuert wird, die ermöglicht, dass das Fluid in ein Reservoir 40 abgelassen wird. Diese Maßnahme verringert oder beseitigt die Wirkung des Elements mit negativer Steifigkeit, was während Straßenhandhabungsmanövern und bei Ereignissen auf einer rauen Straße wünschenswert sein kann.
6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Aufhängungsbaugruppe 16, die ein aktives Aufhängungssystem 20 und ein Element 630 mit negativer Steifigkeit umfasst, die durch einen Controller 55 gesteuert werden, um Schwingungen zwischen dem gefederten Element 10, beispielsweise einer Fahrzeugkarosserie, und dem ungefederten Element 18, beispielsweise einem Rad, aktiv zu dämpfen, um während des laufenden Betriebs bevorzugte Betriebsparameter zu erreichen, die dem Fahrkomfort für die Insassen, der Fahrzeughandhabung und der Bodenhaftungsfähigkeit zugeordnet sind. Die hierin gezeigte Aufhängungsbaugruppe 16 ist einer einzelnen der Ecken oder einem einzelnen der Räder eines Kraftfahrzeugs zugeordnet.
Das aktive Aufhängungssystem 20 umfasst eine Gasfeder 22, einen Zylinder 24, ein erstes Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen und eine Fluidquelle 28 mit konstantem Druck. Die Quelle 28 mit konstantem Druck führt dem Zylinder 24 ein Fluid, beispielsweise Luft oder ein Hydraulikfluid, bei einem konstanten Druck zu, der eine vertikale Kraft an einem Kolben erzeugt, die über ein vertikales Element auf eine Verbindung 605 in dem Element 630 mit negativer Steifigkeit übertragen wird. Der Zylinder 24 ist auch mit der Gasfeder 22 fluidisch gekoppelt, um eine Federfunktion zu liefern.
Das Element 630 mit negativer Steifigkeit umfasst erste entgegensetzte Elemente 631, die mit zweiten entgegengesetzten Elementen 635 an Verbindungen 603 und 603' gekoppelt sind, wobei sich eine Feder 632 unter Spannung zwischen den Verbindungen 603 und 603' befindet. Distale Enden der ersten entgegengesetzten Elemente 631 koppeln an den Zylinder 24 an, und distale Enden der zweiten entgegengesetzten Elemente 635 koppeln an einer Verbindung 605 an den unteren Querlenker 14 an. Die Feder 632 übt eine Zugkraft zwischen den Verbindungen 603 und 603' aus, um den unteren Querlenker 14 von der Karosserie 10 wegzudrücken, um die negative Steifigkeit zu bewirken. Spezielle Konstruktionsmerkmale, einschließlich der Federkonstante der Feder 632 und der Federkonstante der Gasfeder 22, werden ausgewählt, um eine gesamte Federkonstante K der kombinierten Elemente des aktiven Aufhängungssystems 20 zu erreichen, die unter einer statischen Last bei oder in der Nähe von Null liegt. Wenn das erste Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen im Betrieb in eine erste Position gesteuert wird (wie es gezeigt ist), arbeitet das aktive Aufhängungssystem 20 gemeinsam mit dem Element 630 mit negativer Steifigkeit.
7-1 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der Aufhängungsbaugruppe 16, die ein aktives Aufhängungssystem 20 und ein Element 730 mit negativer Steifigkeit umfasst, die durch einen Controller 55 gesteuert werden, um Schwingungen zwischen dem gefederten Element 10, beispielsweise einer Fahrzeugkarosserie, und dem ungefederten Element 18, beispielsweise einem Rad, aktiv zu dämpfen, um während des laufenden Betriebs bevorzugte Betriebsparameter zu erreichen, die dem Fahrkomfort für die Insassen, der Fahrzeughandhabung und der Bodenhaftungsfähigkeit zugeordnet sind. Die hierin gezeigte Aufhängungsbaugruppe 16 ist einer einzelnen der Ecken oder einem einzelnen der Räder eines Kraftfahrzeugs zugeordnet.
Das aktive Aufhängungssystem 20 umfasst eine Gasfeder 22, einen Zylinder 24, ein erstes Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen und eine Fluidquelle 28 mit konstantem Druck. Die Quelle 28 mit konstantem Druck führt dem Zylinder 24 ein Fluid, beispielsweise Luft oder ein Hydraulikfluid, bei einem konstanten Druck zu, der eine vertikale Kraft an einem bewegbaren Kolben 25 erzeugt, die über ein vertikales Element auf eine erste Permanentmagnetbaugruppe 740 des Elements 730 mit negativer Steifigkeit übertragen wird. Der Zylinder 24 ist auch mit der Gasfeder 22 fluidisch gekoppelt, um eine Federfunktion zu liefern. Das aktive Aufhängungssystem 20 ist in einer Reihenkonfiguration mit dem Element 730 mit negativer Steifigkeit angeordnet, wie es gezeigt ist. Alternativ kann das aktive Aufhängungssystem 20 in einer Parallelkonfiguration mit dem Element 730 mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element 10 und dem ungefederten Element 18 angeordnet sein.
Das Element 730 mit negativer Steifigkeit umfasst die erste Permanentmagnetbaugruppe 740, die als ein zylindrisch geformter Kolben koaxial zu einer zweiten Permanentmagnetbaugruppe 750 ausgebildet ist, die als ein koaxiales ringförmiges Rohr ausgebildet ist. Die zweite Permanentmagnetbaugruppe 750 koppelt fest an Wände des Zylinders 24 an. Die erste und die zweite Permanentmagnetbaugruppe 740, 750 sind als mehrere entgegengesetzte Permanentmagnete 735 mit nominellen Nordpolaritäten 732 und Südpolaritäten 734 ausgebildet, die in einer ersten Position in einem sich gegenseitig abstoßenden Zustand konfigurierbar sind und in einer zweiten Position mit den entgegengesetzten Permanentmagneten in einem sich nicht gegenseitig abstoßenden Zustand konfigurierbar sind. Das Element 730 mit negativer Steifigkeit wirkt der Federkraft entgegen, die durch die Gasfeder 22 auf den Kolben 25 ausgeübt wird.
7-2 ist eine schematische Seitenansicht des Elements 730 mit negativer Steifigkeit, das die erste Permanentmagnetbaugruppe 740 koaxial zu der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 750 umfasst, die magnetische Polaritäten aufweisen, die nominell als Nord 732 und Süd 734 bezeichnet werden. Kraftvektoren sind gezeigt, die eine Kompressionskraft 755 und abstoßende Magnetkräfte 753 umfassen, die zwischen den jeweiligen magnetischen Nordpolen 732 der benachbarten Permanentmagnetbaugruppen 740 und 750 sowie zwischen den jeweiligen magnetischen Südpolen der benachbarten Permanentmagnetbaugruppen 740 und 750 wirken. Als Referenz kann ein magnetisches Element mit einer Masse von 1 kg eine abstoßende Kraft von 3000 N erzeugen, was bei der Konstruktion geeigneter Größen und Konfigurationen für die entgegengesetzten Permanentmagnetbaugruppen 740 und 750 verwendet werden kann, um eine gewünschte negative Steifigkeit zu bewirken. Die abstoßenden Kräfte drücken den unteren Querlenker 14 von der Karosserie 10 weg, um die negative Steifigkeit zu bewirken. Das Element 730 mit negativer Steifigkeit kann deaktiviert werden, indem die Ausrichtung der ersten Permanentmagnetbaugruppe 740 relativ zu der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 750 verändert wird, um die magnetischen Polaritäten zu neutralisieren.
8 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der Aufhängungsbaugruppe 16, die ein aktives Aufhängungssystem 20 und ein Element 830 mit negativer Steifigkeit umfasst, die durch einen Controller 55 gesteuert werden, um Schwingungen zwischen dem gefederten Element 10, beispielsweise einer Fahrzeugkarosserie, und dem ungefederten Element 18, beispielsweise einem Rad, aktiv zu dämpfen, um während des laufenden Betriebs bevorzugte Betriebsparameter zu erreichen, die dem Fahrkomfort für die Insassen, der Fahrzeughandhabung und der Bodenhaftungsfähigkeit zugeordnet sind. Die hierin gezeigte Aufhängungsbaugruppe 16 ist einer einzelnen der Ecken oder einem einzelnen der Räder eines Kraftfahrzeugs zugeordnet.
Das aktive Aufhängungssystem 20 umfasst eine Gasfeder 22, einen Zylinder 24, ein erstes Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen und eine Fluidquelle 28 mit konstantem Druck. Die Quelle 28 mit konstantem Druck führt dem Zylinder 24 ein Fluid, beispielsweise Luft oder ein Hydraulikfluid, bei einem konstanten Druck zu, der eine vertikale Kraft an einem Kolben 25 erzeugt, der eine erste Permanentmagnetbaugruppe 840 des Elements 830 mit negativer Steifigkeit aufweist. Der Zylinder 24 ist auch mit der Gasfeder 22 fluidisch gekoppelt, um eine Federfunktion zu liefern. Das Element 830 mit negativer Steifigkeit ist ferner dadurch in den Zylinder 24 integriert, dass die zweite Permanentmagnetbaugruppe 850 in die Wände des Zylinders 24 eingebunden ist und dadurch an die Karosserie 10 ankoppelt, um eine Kraft auf diese zu übertragen. Somit kann das aktive Aufhängungssystem 20 in einer Reihenkonfiguration mit dem Element 830 mit negativer Steifigkeit angeordnet sein, wie es gezeigt ist. Das Element 830 mit negativer Steifigkeit wirkt der Federkraft entgegen, die durch die Gasfeder 22 auf den Kolben 25 ausgeübt wird.
Das Element 830 mit negativer Steifigkeit umfasst mehrere entgegengesetzte Permanentmagnete 835 mit nominellen Nordpolaritäten 832 und Südpolaritäten 834, die in einer ersten Position in einen sich gegenseitig abstoßenden Zustand konfigurierbar sind und die in einer zweiten Position mit den entgegengesetzten Permanentmagneten in einem sich nicht gegenseitig abstoßenden Zustand konfigurierbar sind. Bei einer Ausführungsform umfassen die entgegengesetzten Permanentmagnetbaugruppen die erste Permanentmagnetbaugruppe 840, die als ein zylindrisch geformter Kolben koaxial zu der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 850 ausgebildet ist, die als ein koaxiales ringförmiges Rohr ausgebildet ist. Die erste Permanentmagnetbaugruppe 840 ist in den Kolben 25 des Zylinders 24 integriert und koppelt an den unteren Querlenker 14 an, und die zweite Permanentmagnetbaugruppe 850 ist in die Wände des Zylinders 24 integriert. Wenn das erste Strömungssteuerventil 26 mit mehreren Zuständen im Betrieb in eine erste Position gesteuert wird (wie es gezeigt ist), arbeitet das aktive Aufhängungssystem 20 gemeinsam mit dem Element 830 mit negativer Steifigkeit.
9 zeigt eine Ausführungsform eines Aufhängungssystems, das einen Querstabilisator 940 aufweist, der Elemente 930 mit negativer Steifigkeit verwendet, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element, beispielsweise einer Fahrzeugkarosserie 910, und einem ungefederten Element, beispielsweise Fahrzeugrädern 918, zu dämpfen. Der Querstabilisator 940 ist eine U-förmige Einrichtung mit einem ersten Abschnitt 944, der an Halterungen 912 an der Karosserie 910 befestigt ist, und Armabschnitten 942, die jeweils an Halterungen 913 ankoppeln. Der Querstabilisator 940 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der erste Abschnitt 944 aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material mit einer hohen Steifigkeit hergestellt ist und dass die Armabschnitte 942 aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material mit einer geringen Steifigkeit hergestellt sind. Die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit sind an der Karosserie 910 befestigt und an dem ersten Abschnitt 944 in der Nähe der Verbindungen mit den Armabschnitten 942 funktional mit dem Querstabilisator 940 gekoppelt. Bei einer Ausführungsform verwenden die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit entgegengesetzte Permanentmagnete, von denen eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf 11 gezeigt ist. Die Räder 918 sind an Achswellen 915 befestigt, die an Halterungen 913 ankoppeln, welche unter Verwendung von Federn 924 mit der Fahrzeugkarosserie 910 gekoppelt sind. Jedes der Elemente 930 mit negativer Steifigkeit ist ausgebildet, um ein Moment an dem Querstabilisator 940 zu induzieren, das der Kraft der Federn 924 im stationären Betrieb entgegengesetzt ist. Die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit induzieren Momente am Querstabilisator 940, die unter stationären Fahrzeugbetriebsbedingungen auf die Räder 918 übertragen werden. Während Kurvenfahrmanövern des Fahrzeugs stören die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit die Funktion des Querstabilisators 940 nicht. Bei einer Ausführungsform deaktiviert ein Controller 940 die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit während Kurvenfahrmanövern des Fahrzeugs. Alternativ sind die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit passive Einrichtungen ohne äußere Steuerung.
10 zeigt eine Aufhängungskonfiguration, die eine Torsionsstange 970 umfasst, die über eine Halterung 913 und einen Achsenabschnitt 915 mit einem Fahrzeugrad 918 gekoppelt ist. Die Torsionsstange 970 ist mittels eines Scharnierelements mit der Fahrzeugkarosserie 910 gekoppelt. Die Torsionsstange 970 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein erster Abschnitt 973 aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material mit einer hohen Steifigkeit hergestellt ist und dass ein Armabschnitt 971 aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material mit einer geringen Steifigkeit hergestellt ist. Ein Element 930 mit negativer Steifigkeit, das entgegengesetzte Permanentmagnete verwendet, ist mit der Karosserie 910 gekoppelt und wirkt auf den ersten Abschnitt 973 der Torsionsstange 970. Eine Ausführungsform einer Konfiguration des Elements 930 mit negativer Steifigkeit, das mit der Torsionsstange 970 wechselwirkt, ist unter Bezugnahme auf 11 gezeigt. Das Element 930 mit negativer Steifigkeit induziert Momente an der Torsionsstange 970, die während des stationären Betriebs auf das Rad 918 übertragen werden, wobei da induzierte Moment an der Torsionsstange 970 der Kraft der Torsionsstange 970 unter stationären Bedingungen entgegenwirkt. Das Element 930 mit negativer Steifigkeit ist während des Kurvenfahrens des Fahrzeugs und während anderer Manöver, die ein Torsion auf die Hinterräder oder die Vorderräder ausüben, inaktiv, d. h. es leistet keinen Beitrag. Während Kurvenfahrmanövern des Fahrzeugs sind die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit inaktiv oder deaktiviert, und sie stören daher nicht die Funktion der Torsionsstange 970. Bei einer Ausführungsform deaktiviert ein Controller 940 die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit während Kurvenfahrmanövern des Fahrzeugs. Alternativ sind die Elemente 930 mit negativer Steifigkeit passive Einrichtungen ohne äußere Steuerung.
11 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Elements 930 mit negativer Steifigkeit, die ausgebildet ist, um mit einem Aufhängungselement 955 in Wechselwirkung zu stehen. Das Aufhängungselement 955 ist bei einer Ausführungsform ein Querstabilisator und bei einer anderen Ausführungsform eine Torsionsstange. Das Element 930 mit negativer Steifigkeit umfasst einen äußeren Ringflächenabschnitt 950, der mit der Fahrzeugkarosserie 910 gekoppelt ist. Die äußere Ringfläche 950 umfasst mehrere, am Umfang angeordnete Permanentmagnete, die Nordpolaritäten 960 und Südpolaritäten 970 aufweisen. Das Aufhängungselement 955 weist entsprechende mehrere, am Umfang angeordnete Permanentmagnete 940 auf, die derart orientiert sind, dass die Nordpolaritäten 960 der äußeren Ringfläche 950 den Nordpolaritäten 960 der Permanentmagnete 940 des Aufhängungselements 955 entgegengesetzt sind und die Südpolaritäten 970 der äußeren Ringfläche 950 den Südpolaritäten 970 der Permanentmagnete 940 des Aufhängungselements 955 entgegengesetzt sind.
12-1 zeigt graphisch Betriebsdaten, welche einem simulierten Verhalten eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das ein Manöver ausführt, das das Verhalten des Aufhängungssystems testet, und welche eine Hebebeschleunigung des Fahrzeugs (in g) an der vertikalen Achse 1210 bezogen auf die Zeit (in Sekunden) an der horizontalen Achse 1215 umfassen. 12-2 zeigt graphisch Betriebsdaten, welche einem simulierten Verhalten eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das ein Manöver ausführt, das das Verhalten eines Aufhängungssystems testet, und welche eine Hebebeschleunigung des Fahrzeugs (in g) an der vertikalen Achse 1220 bezogen auf die Frequenz (in Hz) an der horizontalen Achse 1225 umfassen. 12-3 zeigt graphisch Betriebsdaten, welche dem simulierten Verhalten eines Fahrzeugs zugeordnet sind, das ein Manöver ausführt, das das Verhalten eines Aufhängungssystems testet, und welche einen Energiefluss (in Liter/min) an der vertikalen Achse 1230 bezogen auf die Frequenz (in Hz) an der horizontalen Achse 1225 umfassen.
Die aufgetragenen Daten umfassen Ergebnisse für ein simuliertes System, das ein aktives Aufhängungssystem verwendet, das magnetorheologische Dämpfer (MR-Dämpfer) 1240 umfasst, für ein simuliertes System, das eine erste und eine zweite Ausführungsform eines aktiven hydropneumatischen Systems (AHP-Systems) 1242, 1244 für eine verbesserte Lastaufnahme und Niveaueinstellung verwendet, sowie Ergebnisse für ein simuliertes System, das eine Ausführungsform eines Systems verwendet, das ein AHP und ein Element 1246 mit negativer Steifigkeit einsetzt. Die Ergebnisse geben an, dass das System, welches das AHP in Verbindung mit dem Element 1246 mit negativer Steifigkeit verwendet, einen minimalen Betrag und minimale Oszillationen der Hebung und einen minimalen Energieverbrauch im Vergleich zu verwandten Systemen liefert.
13 stellt ein Freikörperbild dar, das Kräfte und Hebelarme für eine Ausführungsform des aktiven Aufhängungssystems zeigt, das unter Bezugnahme auf 6 beschrieben ist und ein Element mit negativer Steifigkeit in der Form einer Feder unter Spannung zwischen distalen Enden von starren Elementen aufweist, die jeweils proximale Enden aufweisen, die mit einer Verbindung 1346 gekoppelt sind.
Wie es gezeigt ist, ist die Feder in der Form von Kraftvektoren p 1325 dargestellt, die zusammen mit der Kraft von der Karosserie 1355 und Kompressionskräften der starren Elemente 1315 an den Punkten 1303 und 1303 wirken. Eine Normalkraft F_N 1345 wirkt an einer Verbindung 1346 und ist als eine Kraft beschrieben, die notwendig ist, um das Element mit negativer Steifigkeit in einem stationären Zustand zu halten. Die Normalkraft F_N an der Verbindung 1345 kann gemäß der folgenden Beziehung ermittelt werden.
wobei

p: die Federkraft 1325 des Elements mit negativer Steifigkeit ist,
Δl: eine nominelle horizontale Anfangsauslenkung des Elements mit negativer Steifigkeit ist, welche eine Vorspannung an dem Element mit negativer Steifigkeit angibt,
k_spring: die Federsteifigkeit des Elements mit negativer Steifigkeit ist,
l: die Länge 1310 jedes der starren Elemente ist,
x: die vertikale Auslenkung 1320 an der Verbindung 1346 ist,
y: die horizontale Distanz 1330 zu der Verbindung 1365 ist.

Die Eigenschaften des Elements mit negativer Steifigkeit können eingestellt werden, indem die Länge l der starren Elemente variiert wird, indem die Vorspannung Δl an dem Element mit negativer Steifigkeit variiert wird und indem die Federsteifigkeit k_spring des Elements mit negativer Steifigkeit variiert wird.
Beispielsweise kann eine nichtlineare Kraftbeziehung für ein Element mit negativer Steifigkeit unter Verwendung einer Version der Gleichung 3 wie folgt beschrieben werden.
Für eine bekannte gewünschte negative Steifigkeitskonstante bei einer vertikalen Auslenkung von x = 0 (x₀) kann die Federrate wie folgt ausgedrückt werden: k₀ = γ·k_p γ = 0 ... 1 wobei k_p eine positive Federrate für eine lineare Feder ist.
Die Federkonstante k_spring für das Element mit negativer Steifigkeit kann gemäß der nachfolgenden Beziehung ermittelt werden.
Dies umfasst, dass eine bevorzugte Anfangsauslenkung Δl für das Element mit negativer Steifigkeit gemäß der nachfolgenden Beziehung ermittelt wird.
Wenn die anfängliche vertikale Auslenkung x₀ gemäß der nachfolgenden Beziehung ermittelt wird: Δl = 2l → x₀ = l, [7] dann kann eine lineare negative Steifigkeitskonstante k_NS gemäß der nachfolgenden Beziehung ermittelt werden. k_NS = k₀ = 4k_spring [8]
Dies ermöglicht eine Konstruktion, die eine Variation in der anfänglichen Vorspannung Δl des Elements mit negativer Steifigkeit berücksichtigt, um den anfänglichen vertikalen Auslenkungspunkt x₀ festzulegen, bei dem die Kraft des Elements mit negativer Steifigkeit verschwindet, um unterschiedliche nichtlineare Leistungseigenschaften in der Aufhängung zu erreichen.
14 zeigt graphisch die relevanten Terme im Zusammenhang einer vertikalen Auslenkung (in m, Wegstrecke) an einer horizontalen Achse 1420 und einer Last (in N) an der vertikalen Achse 1410 für ein Aufhängungssystem, das eine Ausführungsform der Aufhängungsbaugruppe verwendet, die hierin beschrieben ist und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst. Eine positive Federrate k_p, die eine gesamte positive Federrate der Aufhängung ohne das Element mit negativer Steifigkeit repräsentiert, ist durch die Linie 1426 ohne eine Komponente zum Tragen einer statischen Last darstellt, einschließlich eines Punkts 1430 mit einer vertikalen Auslenkung von Null. Ein Element mit negativer Steifigkeit, das eine nichtlineare Verschiebung aufweist, ist durch die Linie 1428 dargestellt, einschließlich eines anfänglichen Auslenkungspunkts Δl bei 1422. Die Linie 1424 zeigt graphisch eine Auslenkung für ein System, das die Federrate für die Aufhängung, die durch die Linie 1426 dargestellt ist, und das Element mit negativer Steifigkeit kombiniert, das die nichtlineare Verschiebung aufweist, die durch die Linie 1428 dargestellt ist. An dem Punkt 1430 mit einer vertikalen Auslenkung von Null weist das Element mit negativer Steifigkeit eine Nullauslenkungs-Federrate k₀ auf. Die Linie 1423 stellt eine gesamte Federrate als ein Ergebnis einer numerischen Summe der linearen Federrate k_p und der Nullauslenkungs-Federrate k₀ des Elements mit negativer Steifigkeit dar. Der anfängliche Auslenkungspunkt Δl am Punkt 1422 gibt einen Auslenkungspunkt an, an dem das Element mit negativer Steifigkeit nicht länger eine Kraft auf das Aufhängungssystem ausübt.
15 zeigt graphisch die relevanten Terme im Zusammenhang einer Auslenkung (in m, Wegstrecke) an einer horizontalen Achse 1520 und einer Last (N) an einer vertikalen Achse 1510 für ein Aufhängungssystem, das eine Ausführungsform des Aufhängungssystems verwendet, das hierin beschrieben ist und ein Element mit negativer Steifigkeit umfasst, das mehrere nichtlineare Verschiebungen aufweist, die durch die Linie 1528 dargestellt sind und durch mehrere anfängliche Auslenkungspunkte x0 angegeben sind, einschließlich beispielsweise eines Punkts 1522, der einen anfänglichen Auslenkungspunkt x0 von 0,05 m darstellt, und eines Punkts 1524, der einen anfänglichen Auslenkungspunkt x0 von 0,08 m darstellt. Die Beziehung, die unter Bezugnahme auf Gleichung 6 dargestellt ist, kann verwendet werden, um die entsprechende anfängliche Federauslenkung Δl zu ermitteln. Eine positive Federrate, welche die gesamte positive Federrate der Aufhängung ohne das Element mit negativer Steifigkeit repräsentiert, ist durch die Linie 1526 ohne eine Komponente zum Tragen einer statischen Last dargestellt, und sie zeigt eine lineare Federrate k_p zwischen der Auslenkung und der Last, einschließlich eines Punkts 1530 mit einer vertikalen Auslenkung von Null. Die Linie 1523 stellt die Auslenkung als ein Ergebnis einer numerischen Summe der linearen Federrate k_p und der Nullauslenkungs-Federrate k₀ dar, die eine lineare negative Steifigkeitskonstante ist.
Die Linien 1528 zeigen graphisch mehrere nichtlineare Verschiebungen, die anfänglichen Federauslenkungen Δl zugeordnet sind, einschließlich einer anfänglichen Federauslenkung Δl, die einem Punkt x0 = 0,05 m entspricht und bei 1522 gezeigt ist, und einer anfänglichen Federauslenkung Δl, die dem Punkt x0 = 0,08 m entspricht und bei 1524 gezeigt ist. Die Linien 1525 zeigen graphisch mehrere Auslenkungen für ein System, das die Federrate für die Aufhängung, die durch die Linie 1526 dargestellt ist, und das Element mit negativer Steifigkeit kombiniert, das mehrere nichtlineare Verschiebungen aufweist, die durch die Linien 528 dargestellt sind. Dies umfasst die Linie 1532, welche die Auslenkung für ein System zeigt, das die Federrate für die Aufhängung, die durch die Linie 526 dargestellt ist, und das Element mit negativer Steifigkeit kombiniert, das eine anfängliche Federauslenkung Δl aufweist, die den Punkt x0 = 0,05 m entspricht und bei 1522 gezeigt ist. Dies umfasst die Linie 1534, welche die Auslenkung für ein System zeigt, das die Federrate für die Aufhängung, die durch die Linie 526 dargestellt ist, und das Element mit negativer Steifigkeit kombiniert, das eine anfängliche Federauslenkung Δl aufweist, die dem Punkt x0 = 0,08 m entspricht und bei 1524 gezeigt ist. Somit kann das Variieren der anfänglichen Vorspannung in der Feder verwendet werden, um den Punkt x0 zu variieren, an dem das Element mit negativer Steifigkeit aufhört, eine Kraft in der Aufhängung auszuüben.
Die Aufhängungsbaugruppe, die eine aktive Aufhängung und eine negative Steifigkeit umfasst, ist ausgebildet, um eine große Last statisch mit einer geringen dynamischen Steifigkeit zu tragen, um Schwingungen zu isolieren. Vorzugsweise liegt die gesamte Federrate der kombinierten Elemente der Aufhängungsbaugruppe unter einer statischen Last bei oder in der Nähe von Null. Eine solche Kombination einer aktiven Aufhängung und einer negativen Steifigkeit, die unter Verwendung verschiedener Technologien erreichbar ist, umfasst einen Mechanismus zum Aktivieren und Deaktivieren der negativen Steifigkeit und zum Verringern des Energieverbrauchs während Kurvenfahrmanövern.
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 zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element, umfassend: ein aktives Aufhängungssystem, das ein steuerbares, Last tragendes Federelement umfasst, das mit einem Element mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element und dem ungefederten Element angeordnet ist, wobei das Element mit negativer Steifigkeit eine negative Steifigkeitskonstante aufweist, die einer positiven Federrate des aktiven Aufhängungssystems entgegenwirkt, um unter statischen Bedingungen eine gesamte Federsteifigkeit der Aufhängungsbaugruppe von Null zu erreichen.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das aktive Aufhängungssystem parallel zu dem Element mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element und dem ungefederten Element angeordnet ist.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die negative Steifigkeitskonstante des Elements mit negativer Steifigkeit nichtlinear ist.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die negative Steifigkeitskonstante des Elements mit negativer Steifigkeit linear ist.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Element mit negativer Steifigkeit entgegengesetzte Fluidzylinder umfasst, die ausgebildet sind, um das gefederte Element unter Verwendung eines Fluiddrucks, der aus dem aktiven Aufhängungssystem zugeführt wird, von dem ungefederten Element wegzudrücken.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Element mit negativer Steifigkeit mehrere entgegengesetzte Permanentmagnete umfasst, die in einer ersten Position in einem sich gegenseitig abstoßenden Zustand konfigurierbar sind und in einer zweiten Position in einem sich gegenseitig nicht abstoßenden Zustand konfigurierbar sind.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Element mit negativer Steifigkeit eine mechanische Feder umfasst, die ausgebildet ist, um das gefederte Element von dem ungefederten Element wegzudrücken.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 7, wobei die mechanische Feder die negative Steifigkeitskonstante bewirkt, die der positiven Federrate des aktiven Aufhängungssystems entgegengesetzt ist, um eine gesamte Federsteifigkeit der Aufhängungsbaugruppe zu erreichen, die unter statischen Bedingungen gegen Null geht.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Element mit negativer Steifigkeit ein Federelement umfasst, das eine Zugkraft zwischen einer ersten und einer zweiten Verbindung ausübt, wobei die erste und die zweite Verbindung Enden erster entgegengesetzter Elemente, die distale Enden aufweisen, die mit dem gefederten Element gekoppelt sind, und Enden zweiter entgegengesetzter Elemente umfassen, die distale Enden aufweisen, die mit dem ungefederten Element gekoppelt sind.
Aufhängungsbaugruppe nach Anspruch 9, wobei das Federelement die Zugkraft basierend auf einer negativen Steifigkeitskonstante ausübt, wobei die negative Steifigkeitskonstante bezogen auf eine Federkonstante für die Feder, bezogen auf eine Vorspannungskraft, die durch die Feder an der ersten und der zweiten Verbindung ausgeübt wird, und bezogen auf die Längen der zweiten entgegengesetzten Elemente, die distale Enden aufweisen, die mit dem gefederten Element gekoppelt sind, ermittelt wird.