DE102014118611B4

DE102014118611B4 - Vorrichtung für eine Aufhängungsdämpfung mit negativer Steifigkeit unter Verwendung eines Permanentmagneten

Info

Publication number: DE102014118611B4
Application number: DE102014118611.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Trangbaek; 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: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: US20150167770A1; DE102014118611A1; US9133900B2; CN104709024A; CN104709024B

Abstract

Aufhängungsbaugruppe (20) zwischen einem gefederten Element (10) und einem ungefederten Element (18), umfassend:ein Last tragendes Federelement (24), das parallel zu einem Element (30) mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element (10) und dem ungefederten Element (18) angeordnet ist, wobei das Element (30) mit negativer Steifigkeit eine erste Permanentmagnetbaugruppe (40) und eine zweite Permanentmagnetbaugruppe (50) umfasst, die koxial zueinander angeordnet sind und sich gegenseitig abstoßen, dadurch gekennzeichnet, dassdie Aufhängungsbaugruppe (20) ferner eine bewegbare Abschirmung (46) umfasst, die zwischen die erste Permanentmagnetbaugruppe (40) und die zweite Permanentmagnetbaugruppe (50) einfügbar ist, um deren gegenseitige Abstoßung zu deaktivieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft eine Aufhängungsbaugruppe zum Dämpfen von Schwingungen zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element.
HINTERGRUND
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 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 für 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.
Aus der DE 34 10 473 A1 sind Aufhängungsbaugruppen mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Die DE 195 41 600 C1 beschreibt ähnliche Aufhängungsbaugruppen.
In der DE 197 23 515 A1 sind ebenfalls ähnliche Aufhängungsbaugruppen beschrieben.
Die DE 196 47 031 A1 beschreibt einen Stoßdämpfer, der einen Magnet und Induktionsspulen zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Aufhängungsbaugruppe zu schaffen, deren Dämpfung anpassbar ist.
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 ein Last tragendes Federelement, das parallel zu einem Element mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element und dem ungefederten Element angeordnet ist. Das Element mit negativer Steifigkeit umfasst eine erste und eine zweite Permanentmagnetbaugruppe, die koxial zueinander angeordnet sind und sich gegenseitig abstoßen.
Figurenliste
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:

1 eine 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;
2-1 das Element mit negativer Steifigkeit gemäß der Offenbarung darstellt, welches ein Strukturelement ist, das entgegengesetzte Permanentmagnete verwendet, die zwischen Scharnierpunkten einer Aufhängungsbaugruppe eingefügt sind;
2-2 eine Seitenansicht des Elements mit negativer Steifigkeit gemäß der Offenbarung ist, welches eine erste Permanentmagnetbaugruppe koaxial zu einer zweiten Permanentmagnetbaugruppe umfasst, die magnetische Polaritäten, die nominell als Nord und Süd bezeichnet werden, und Kraftvektoren aufweisen;
2-3 eine Draufsicht des Elements mit negativer Steifigkeit gemäß der Offenbarung ist, welches eine erste Permanentmagnetbaugruppe in einer ringförmigen zweiten Permanentmagnetbaugruppe umfasst, die eine Orientierung des magnetischen Nord- und Südpols der ersten Permanentmagnetbaugruppe ausgerichtet mit dem entsprechenden magnetischen Nord- und Südpol der ringförmigen zweiten Permanentmagnetbaugruppe aufweisen;
2-4 eine Draufsicht des Elements mit negativer Steifigkeit gemäß der Offenbarung ist, welches die erste Permanentmagnetbaugruppe in der ringförmigen zweiten Permanentmagnetbaugruppe umfasst, die eine Orientierung des magnetischen Nord- und Südpols der ersten Permanentmagnetbaugruppe senkrecht zum magnetischen Nord- und Südpol der zweiten Permanentmagnetbaugruppe aufweisen;
3 eine Auslenkung (in m, Wegstrecke) an der horizontalen Achse und eine Last (in N) an der vertikalen Achse für Aufhängungskomponenten gemäß der Offenbarung darstellt, die eine Feder und ein Element mit negativer Steifigkeit aufweisen;
4-1 eine Ausführungsform des Elements mit negativer Steifigkeit gemäß der Offenbarung darstellt, welches die erste Permanentmagnetbaugruppe koaxial zu der zweiten Permanentmagnetbaugruppe umfasst, die einen steuerbaren Elektromotor aufweisen, der zum selektiven Deaktivieren der Funktion der negativen Steifigkeit ausgebildet ist;
4-2 eine andere Ausführungsform des Elements mit negativer Steifigkeit gemäß der Offenbarung darstellt, welches die erste Permanentmagnetbaugruppe koaxial zu der zweiten Permanentmagnetbaugruppe umfasst, die eine bewegbare Abschirmung aufweisen, die zum selektiven Deaktivieren von deren Funktion der negativen Steifigkeit ausgebildet ist;
5 eine Aufhängungseinrichtung für ein stationäres System gemäß der Offenbarung darstellt, das ausgebildet ist, um eine Schwingung zwischen einem gefederten Element und einem ungefederten Element unter Verwendung einer integrierten Feder, eines Dämpfers und eines Elements mit negativer Steifigkeit zu dämpfen, wobei das Element mit negativer Steifigkeit entgegengesetzte Permanentmagnete verwendet;
6 einen Querstabilisator gemäß der Offenbarung darstellt, der Elemente mit negativer Steifigkeit verwendet, die entgegengesetzte Permanentmagnete zum Dämpfen von Schwingungen zwischen einer Fahrzeugkarosserie und einem Fahrzeugrad aufweisen;
7-1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Elements mit negativer Steifigkeit gemäß der Offenbarung darstellt, das entgegengesetzte Permanentmagnete umfasst, die zur Wechselwirkung mit einem Querstabilisator ausgebildet sind;
7-2 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Elements mit negativer Steifigkeit gemäß der Offenbarung darstellt, das entgegengesetzte Permanentmagnete aufweist, die zur Wechselwirkung mit einem Querstabilisator ausgebildet sind; und
8 eine Aufhängungskonfiguration gemäß der Offenbarung darstellt, die eine Torsionsstange umfasst, die mit einem Fahrzeugrad gekoppelt ist, wobei die Torsionsstange ein Element mit negativer Steifigkeit aufweist, das entgegengesetzte Permanentmagnete verwendet.

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 20 dar, die ein Element 30 mit negativer Steifigkeit umfasst, das zum Dämpfen von Schwingungen zwischen einem gefederten Element 10 und einem ungefederten Element 18 verwendet wird. Das Element 30 mit negativer Steifigkeit umfasst ein erstes und ein zweites Element, die entgegengesetzt sind und sich gegenseitig abstoßen. Das erste und das zweite Element, die entgegengesetzt sind und sich gegenseitig abstoßen, sind bei einer Ausführungsform entgegengesetzte Permanentmagnete. Die Begriffe Federrate, Federkonstante und Steifigkeit sind überall in dieser Beschreibung 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 gefederte Element ist 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 und das Bereitstellen 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. Solche Systeme bewirken ein bevorzugtes Fahrverhalten für den Insassenkomfort und eine Rad/Reifen-Straßengriffigkeit für die Sicherheit, während sie eine Empfindlichkeit gegenüber statischen Laständerungen aufgrund von Massenänderungen und gegenüber dynamischen Laständerungen während Fahrzeughandhabungsmanövern aufweisen. Bei einer Ausführungsform ist ein Controller 80 ausgebildet, um das Element 30 mit negativer Steifigkeit unter Verwendung eines Steuersignals 81 zu aktivieren und zu deaktivieren. Alternativ ist das Element 30 mit negativer Steifigkeit ein selbstbetätigtes System ohne die Notwendigkeit zur Deaktivierung, d.h. ein passives System, und daher wird kein Controller verwendet, um das System zu aktivieren und zu deaktivieren.
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 Scharnierpunkt 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 Schamierpunkt 17' derselbe Punkt. Bei einer Ausführungsform kann die Aufhängungsbaugruppe 20 ein passives Aufhängungssystem sein, 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 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 aufhebt.
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 100 Mikrosekunden sowie 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden. Alternativ können die Routinen in Ansprechen auf ein Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
2-1 zeigt Details einer Ausführungsform des Elements 30 mit negativer Steifigkeit, das ein lineares Strukturelement ist, das zwischen Scharnierpunkten 15' und 17' der Aufhängungsbaugruppe 20, die unter Bezugnahme auf 1 gezeigt ist, eingefügt werden kann, um die Funktionalität der negativen Steifigkeit für diese bereitzustellen. Das Element 30 mit negativer Steifigkeit ist unter Verwendung einer ersten und einer zweiten entgegengesetzten Permanentmagnetbaugruppe hergestellt, die in einer ersten Position in einem 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. Das Element 30 mit negativer Steifigkeit umfasst ein erstes Schaftelement 32, das an den Scharnierpunkt 17' ankoppelt, und ein zweites Schaftelement 34, das an den Scharnierpunkt 15' ankoppelt. Die entgegengesetzten Permanentmagnetbaugruppen umfassen eine erste Permanentmagnetbaugruppe 40, die als ein zylindrisch geformter Kolben ausgebildet ist und koaxial zu einer zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 verläuft, die als ein koaxiales ringförmiges Rohr ausgebildet ist. Ein offener Bereich 52 kann an der Unterseite der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 vorgesehen sein. Die magnetischen Polaritäten, die nominell als Nord 60 und Süd 70 bezeichnet werden, sind für jeden der entgegengesetzten Permanentmagnete gezeigt. Die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 umfasst einen oder mehrere Permanentmagnete, die in der Form eines Zylinders gebildet und an einem Ende des ersten Schaftelements 32 befestigt sind. Wie es gezeigt ist, umfasst die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 obere und untere Permanentmagnete, die in einem Stapel zusammengebaut sind, wobei die magnetischen Polaritäten zwischen den oberen und den unteren Permanentmagneten umgekehrt sind. Die oberen und die unteren Permanentmagnete können als ringförmige Elemente ausgebildet sein, die in dem äußeren Abschnitt der ersten Permanentmagnetbaugruppe 40 angeordnet sind, wobei ein innerer Abschnitt vorzugsweise aus einem anderen Strukturmaterial als ein Permanentmagnet hergestellt ist, welches beispielsweise Eisen oder Stahl umfasst. Die zweite Permanentmagnetbaugruppe 50 weist eine zylindrische Form auf, die zu der ersten Permanentmagnetbaugruppe 40 ringförmig ist, und sie ist in einer aufgeschnittenen Weise gezeigt. Die zweite Permanentmagnetbaugruppe 50 umfasst obere und untere Permanentmagnete, die in einem Stapel angeordnet sind, wobei die magnetischen Polaritäten zwischen den oberen und unteren Permanentmagneten umgekehrt sind. Die Längen in Längsrichtung der oberen und unteren Permanentmagnete der ersten Permanentmagnetbaugruppe 40 korrelieren mit den Längen in Längsrichtung der oberen und unteren Permanentmagnete der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50. Die Magnet- und Magnetpolkonfigurationen, die in 2-1 gezeigt sind, sind eine Veranschaulichung einer Ausführungsform. Andere geeignete Magnet- und Magnetpolkonfigurationen können mit ähnlichen Ergebnissen angewendet werden und liegen daher innerhalb des Umfangs der Offenbarung.
2-2 ist eine Seitenansicht des Elements 30 mit negativer Steifigkeit, das die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 koaxial zu der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 umfasst, die magnetische Polaritäten aufweisen, die nominell als Nord 60 und Süd 70 bezeichnet sind. Kraftvektoren sind gezeigt, die eine Kompressionskraft 55 und abstoßende Magnetkräfte 53 umfassen, die zwischen den jeweiligen magnetische Nordpolen 60 der benachbarten Permanentmagnetbaugruppen 40 und 50 sowie zwischen den jeweiligen magnetischen Südpolen 70 der benachbarten Permanentmagnetbaugruppen 40 und 50 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 40 und 50 verwendet werden kann, um die gewünschte Funktion der negativen Steifigkeit zu bewirken.
2-3 zeigt eine erste Draufsicht des Elements 30 mit negativer Steifigkeit, das die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 in der ringförmigen zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 umfasst. Wie es gezeigt ist, ist die Orientierung der magnetischen Nord- und Südpole 60, 70 der ersten Permanentmagnetbaugruppe 40 mit den entsprechenden magnetischen Nord- und Südpolen 60, 70 der ringförmigen zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 ausgerichtet, wodurch das Element 30 mit negativer Steifigkeit aktiviert wird, indem die entsprechenden Magnete in den sich gegenseitig abstoßenden Zuständen angeordnet sind.
2-4 zeigt eine zweite Draufsicht des Elements 30 mit negativer Steifigkeit, das die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 in der ringförmigen zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 umfasst. Wie es gezeigt ist, verläuft die Orientierung der magnetischen Nord- und Südpole 60, 70 der ersten Permanentmagnetbaugruppe 40 orthogonal zu den magnetischen Nord- und Südpolen 60, 70 der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50, wodurch das Element 30 mit negativer Steifigkeit deaktiviert wird, indem die entsprechenden Magnete in einem neutralen Zustand angeordnet sind.
3 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 positive Federkraft für eine Aufhängungsfeder 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 Aufhängungsfeder, 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 Aufhängungsfeder, 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 Aufhängungsfeder, 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 (kleine Federrate K), um eine geeignete Isolation und dadurch ein von einem Bediener erwartetes komfortables Fahrverhalten zu erreichen, in Kombination mit einer harten Federung (große 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. 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.
4-1 zeigt eine Ausführungsform des Elements 30 mit negativer Steifigkeit, welche die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 koaxial mit der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 umfasst und welche eine Ausführungsform eines steuerbaren Mechanismus umfasst, um dessen Funktion der negativen Steifigkeit selektiv zu deaktivieren. Der steuerbare Mechanismus ist ein Elektromotor 42, der an das erste Schaftelement 32 drehbar ankoppelt, um die Ausrichtung der ersten Permanentmagnetbaugruppe 40 relativ zu der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 zu drehen. Wenn der Elektromotor 42 die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 in Ansprechen auf ein Befehlssignal in eine erste Position steuert, wie sie beispielsweise unter Bezugnahme auf 2-3 gezeigt ist, ist das Element 30 mit negativer Steifigkeit aktiviert, indem die entsprechenden Magnete in einem sich gegenseitig abstoßenden Zustand angeordnet sind. Wenn der Elektromotor 42 die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 in Ansprechen auf ein Befehlssignal in eine zweite Position steuert, wie sie beispielsweise unter Bezugnahme auf 2-4 gezeigt ist, ist das Element 30 mit negativer Steifigkeit deaktiviert, indem die entsprechenden Magnete in einem neutralen Zustand angeordnet sind.
4-2 zeigt eine andere Ausführungsform des Elements 30 mit negativer Steifigkeit, welche die erste Permanentmagnetbaugruppe 40 koaxial zu der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 umfasst und welche eine zweite Ausführungsform eines steuerbaren Mechanismus umfasst, um dessen Funktion der negativen Steifigkeit selektiv zu deaktivieren. Die zweite Ausführungsform des steuerbaren Mechanismus umfasst eine Abschirmung 46, die durch die Wirkung eines elektrischen Zahnradmotors 48 selektiv in einen Luftraum zwischen der ersten Permanentmagnetbaugruppe 40 und der zweiten Permanentmagnetbaugruppe 50 eingefügt werden kann. Die Abschirmung kann aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, das beispielsweise Eisen oder Stahl umfasst. Der elektrische Zahnradmotor 48 ist steuerbar, um sich in Ansprechen auf ein Befehlssignal in einer Drehrichtung entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn zu drehen, wobei der Betrieb des Zahnradmotors 48 mit der Abschirmung 46 in einer geeigneten Form wechselwirkt, beispielsweise in einer Konfiguration mit Zahnstange und Ritzel.
5 zeigt eine Ausführungsform einer integrierten Aufhängungseinrichtung 520, die ausgebildet ist, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element 510 und einem ungefederten Element 515 zu dämpfen, und eine integrierte Feder 524, einen Dämpfer 522 und ein Element 530 mit negativer Steifigkeit verwendet, wobei das Element 530 mit negativer Steifigkeit Permanentmagnete verwendet, die Südpolaritäten 560 und Nordpolaritäten 570 aufweisen, um die Funktion der negativen Steifigkeit zu bewirken. Diese Konfiguration ist als ein stationäres System mit dem ungefederten Element 515 als Erdung dargestellt, obwohl sie auch in einem mobilen System mit einer ähnlichen Wirkung funktionieren kann. Eine Dämpferkammer 534 ist zwischen einem Endelement 552 und einem ersten Endelement 532 gebildet. Ein Schaftelement 514 koppelt an das gefederte Element 510 an, koppelt fest an einen ersten Flansch 516 an, tritt durch das Endelement 552 der geschlossenen Dämpferkammer 534 hindurch und koppelt fest an ein Kolbenelement 542 an, das in der Dämpferkammer 534 enthalten ist. Die Dämpferkammer 534 ist mit einem Fluid gefüllt, und das Kolbenelement 542 umfasst eine geeignete fluidische Ventileinrichtung, um die Dämpfung zu bewirken. Somit wird eine Bewegung des gefederten Elements 510 direkt auf den ersten Flansch 516 und das Kolbenelement 542 übertragen, welches die Bewegung dämpft, indem eine Strömung zwischen Unterkammern der Dämpferkammer 534 beschränkt wird. Die Feder 524 ist zwischen dem ungefederten Element 515 und dem ersten Flansch 516 angeordnet, vorzugsweise unter einer Kompressionslast des gefederten Elements 510. Das erste Endelement 532, das zweite Endelement 552 und der Kolben 542 sind mit Permanentmagneten ausgestattet, die Südpolaritäten 560 und Nordpolaritäten 570 aufweisen. Die Nord- und Südpolaritäten 560, 570 sind bei einer Ausführungsform derart ausgerichtet, wie es in 5 gezeigt ist. Die Südpolaritäten 560 und die Nordpolaritäten 570 der Permanentmagnete sind ausgebildet, um einer Bewegung der Feder 524 entgegenzuwirken, wenn sich das gefederte Element 510 entweder in einer nominellen Aufwärtsrichtung oder in einer nominellen Abwärtsrichtung bewegt.
6 zeigt eine Ausführungsform eines Querstabilisators 614, der Elemente 630 mit negativer Steifigkeit verwendet, um Schwingungen zwischen einem gefederten Element, d.h. einer Fahrzeugkarosserie 610, und einem ungefederten Element, d.h. einem Fahrzeugrad 618, zu dämpfen. Das Element 630 mit negativer Steifigkeit verwendet entgegengesetzte Permanentmagnete. Die Räder 618 sind an Achswellen 615 befestigt, die an Halterungen 613 ankoppeln, die unter Verwendung von Federn 612 mit der Fahrzeugkarosserie 610 gekoppelt sind. Der Querstabilisator 614 ist eine U-förmige Einrichtung, die einen ersten Abschnitt, der an Halterungen 612 an der Karosserie 610 befestigt ist, und Armabschnitte aufweist, die an jede der Halterungen 613 ankoppeln. Der Querstabilisator 614 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der erste Abschnitt aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material mit einer hohen Steifigkeit hergestellt ist und die Armabschnitte aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material mit einer geringen Steifigkeit hergestellt sind. Die Elemente 630 mit negativer Steifigkeit sind an der Karosserie 610 befestigt und koppeln an dem ersten Abschnitt in der Nähe der Verbindungen mit den Armabschnitten funktional an den Querstabilisator 614 an. Bei einer Ausführungsform kann ein Controller 640 die Elemente 630 mit negativer Steifigkeit aktivieren und deaktivieren, was umfasst, dass die Funktion der negativen Steifigkeit während eines Fahrzeugbetriebs, wie etwa während eines Betriebs auf einer rauen Straße, aktiviert werden und dass die Elemente 630 mit negativer Steifigkeit während Kurvenfahrmanövern des Fahrzeugs deaktiviert werden. Die Elemente 630 mit negativer Steifigkeit induzieren Momente am Querstabilisator 614, die auf die Räder 618 übertragen werden. Während Kurvenfahrmanövern des Fahrzeugs sind die Elemente 630 mit negativer Steifigkeit deaktiviert, und sie stören daher die Funktion des Querstabilisators 614 nicht.
8 zeigt eine Aufhängungskonfiguration, die eine Torsionsstange 828 umfasst, die mit einem Fahrzeugrad 818 mittels einer Halterung 813 und eines Achsabschnitts 815 gekoppelt ist. Die Torsionsstange 828 koppelt mittels einer Scharnierelements an die Fahrzeugkarosserie 810 an. Ein Element 830 mit negativer Steifigkeit, das entgegengesetzte Permanentmagnete verwendet, koppelt an die Karosserie 810 an und wirkt auf die Torsionsstange 828. Die Torsionsstange 828 ist vorzugsweise mit einem ersten Abschnitt, der aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material mit einer hohen Steifigkeit hergestellt ist, und einem Armabschnitt ausgebildet, der aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material mit einer geringen Steifigkeit hergestellt ist. Der erste Abschnitt koppelt an die Fahrzeugkarosserie 810 an, und der Armabschnitt koppelt an die Halterung 813 an. Ausführungsformen der Konfigurationen des Elements 830 mit negativer Steifigkeit, das mit der Torsionsstange 828 wechselwirkt, sind unter Bezugnahme auf 7-1 und 7-2 gezeigt. Das Element 830 mit negativer Steifigkeit bewirkt die Funktion der negativen Steifigkeit während des Fahrzeugbetriebs, wie etwa des Betriebs auf einer rauen Straße. Die Elemente 830 mit negativer Steifigkeit induzieren Momente an der Torsionsstange 828, die auf die Räder 818 übertragen werden. Die Elemente 830 mit negativer Steifigkeit sind während des Kurvenfahrens des Fahrzeugs und anderen Manövern, die eine Torsion auf die Hinterräder ausüben, inaktiv, d.h., dass sie keinen Beitrag leisten. Während Kurvenfahrmanövern des Fahrzeugs sind die Elemente 830 mit negativer Steifigkeit inaktiv, und sie stören daher die Funktion der Torsionsstange 828 nicht.
7-1 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Elements 730 mit negativer Steifigkeit, das ausgebildet ist, um entweder mit dem Querstabilisator 714, wie es gezeigt ist, oder mit der Torsionsstange 828 in Wechselwirkung zu stehen, die unter Bezugnahme auf 8 gezeigt ist. Das Element 730 mit negativer Steifigkeit umfasst einen äußeren Ringflächenabschnitt 750, der fest an die Fahrzeugkarosserie 710 ankoppelt. Die äußere Ringfläche750 umfasst mehrere am Umfang angeordnete Permanentmagnete, die Südpolaritäten 760 und Nordpolaritäten 770 aufweisen. Der Querstabilisator 714 weist entsprechende mehrere, am Umfang angeordnete und entgegengesetzte Permanentmagnete 740 auf, die Südpolaritäten 760 und Nordpolaritäten 770 aufweisen. Die Pole der Permanentmagnete des äußeren Ringflächenabschnitts 750 sind ausgebildet, um den entsprechenden Polen der Permanentmagnete der am Umfang angeordneten entgegengesetzten Permanentmagnete 740 derart gegenüberzuliegen, dass die Südpolaritäten 760 den Südpolaritäten 760 gegenüberliegen und die Nordpolaritäten 770 den Nordpolaritäten 770 gegenüberliegen. Daher übt das Element 730 mit negativer Steifigkeit eine Torsionskraft oder ein Drehmoment aus, um infolge der sich gegenseitig abstoßenden Kräfte der entgegengesetzten Magnete ein Moment am Querstabilisator 714 zu induzieren.
7-2 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Elements 731 mit negativer Steifigkeit, das ausgebildet ist, um mit einem Querstabilisator 714 in Wechselwirkung zu stehen. Das Element 731 mit negativer Steifigkeit umfasst einen äußeren Ringflächenabschnitt 750, der mit der Fahrzeugkarosserie 710 gekoppelt ist. Die äußere Ringfläche750 weist mehrere, am Umfang angeordnete und nach innen hervorstehende Permanentmagnete 756 auf, die Südpolaritäten 760 und Nordpolaritäten 770 aufweisen. Der Querstabilisator 614 weist entsprechende mehrere, am Umfang angeordnete und nach außen hervorstehende Permanentmagnete 746 auf, die Südpolaritäten 760 und Nordpolaritäten 770 aufweisen. Die am Umfang angeordneten, nach außen hervorstehenden Permanentmagnete 746 sind mit den nach innen hervorstehenden Permanentmagneten 756 derart beabstandet, dass die Südpolaritäten 760 der nach außen hervorstehenden Permanentmagnete 746 den Nordpolaritäten 770 der nach innen hervorstehenden Permanentmagnete 756 zugewandt sind, und umgekehrt. Daher übt das Element 731 mit negativer Steifigkeit eine Torsionskraft oder ein Drehmoment aus, um infolge der sich gegenseitig abstoßenden Kräfte der entgegengesetzten Magnete ein Moment am Querstabilisator 714 zu induzieren.

Claims

Aufhängungsbaugruppe (20) zwischen einem gefederten Element (10) und einem ungefederten Element (18), umfassend: ein Last tragendes Federelement (24), das parallel zu einem Element (30) mit negativer Steifigkeit zwischen dem gefederten Element (10) und dem ungefederten Element (18) angeordnet ist, wobei das Element (30) mit negativer Steifigkeit eine erste Permanentmagnetbaugruppe (40) und eine zweite Permanentmagnetbaugruppe (50) umfasst, die koxial zueinander angeordnet sind und sich gegenseitig abstoßen, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängungsbaugruppe (20) ferner eine bewegbare Abschirmung (46) umfasst, die zwischen die erste Permanentmagnetbaugruppe (40) und die zweite Permanentmagnetbaugruppe (50) einfügbar ist, um deren gegenseitige Abstoßung zu deaktivieren.