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Vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Dämpfersystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug.
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Übliche hydraulische Dämpfereinheiten für Fahrzeuge umfassen einen fluidgefüllten Zylinder, in dem ein Kolben geführt ist. Der Kolben wird über eine Kolbenstange mit der Karosserie des Fahrzeugs verbunden. Der Zylinder ist radseitig angebunden. Aktive Dämpfersysteme erlauben, im Gegensatz zu adaptiven Dämpfersystemen, ein aktives Stellen des Kolbens im Zylinder. Dadurch können z. B. Wankbewegungen des Fahrzeugs reduziert werden. Hierzu wird üblicherweise der Druck im Zylinder mittels einer Hydraulikpumpe verändert.
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Des Weiteren kennt der Stand der Technik, beispielsweise aus
DE 602 10 652 T2 , passive Stoßdämpfer mit frequenzabhängiger Dämpfung. Bei diesen Stoßdämpfern sind die beiden Kammern im Zylinder über Strömungskanäle im Kolben miteinander verbunden. Durch die entsprechende Drosselung über diese Strömungskanäle wird die dämpfende Wirkung bei niederfrequenten Anregungen erzeugt. Zusätzlich ist ein frequenzselektives Ventil unterhalb des Kolbens angeordnet, um auch hochfrequente Anregungen zu dämpfen. Ein aktives Stellen des Kolbens ist in diesen Stoßdämpfern nicht möglich.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein aktives Dämpfersystem für ein Fahrzeug anzugeben, das bei kostengünstiger Herstellung und wartungsarmem Betrieb sowohl aktiv stellbar ist als auch eine Dämpfung über einen breiten Frequenzbereich ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein aktives Dämpfersystem für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine Dämpfereinheit. Die Dämpfereinheit weist einen fluidgefüllten Zylinder, einen im Zylinder geführten Kolben und eine mit dem Kolben verbundene Kolbenstange auf. Der Kolben unterteilt den Zylinder in eine erste Kammer und in eine zweite Kammer. Die Dämpfereinheit ist zur Anordnung zwischen einer Karosserie und einem Rad des Fahrzeugs ausgebildet. Insbesondere ist dabei die Kolbenstange karosserieseitig angeordnet. Das aktive Dämpfersystem umfasst ferner eine aktive Einheit. Die aktive Einheit weist eine Hydraulikpumpe und eine elektrische Maschine auf. Die elektrische Maschine kann dabei zum Antrieb der Hydraulikpumpe verwendet werden. Andererseits ist es auch möglich, über die Hydraulikpumpe die elektrische Maschine generatorisch zu betreiben. Die aktive Einheit dient zum Verändern der Drücke in den beiden Kammern des Zylinders. Dadurch ist es möglich, den Kolben innerhalb des Zylinders zu stellen, wodurch ein Ausgleich der Wankbewegung des Fahrzeugs möglich ist. Des Weiteren kann die aktive Einheit aus Hydraulikpumpe und elektrischer Maschine auch zum Dämpfen von Schwingungen in einem ersten Frequenzbereich verwendet werden. Dieser erste Frequenzbereich liegt insbesondere im Bereich der Aufbau-Eigenfrequenz von 1 bis 2 Hz. Beispielsweise durch einen generatorischen Betrieb der aktiven Einheit kann solche eine Schwingung gedämpft werden.
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Das erfindungsgemäße aktive Dämpfersystem umfasst des Weiteren eine fluidleitende Verbindung zwischen den beiden Kammern des Zylinders. In dieser Verbindung ist zumindest ein passives Dämpferventil angeordnet. Dieses passive Dämpfersystem ist derart ausgelegt, dass es durch einen hochfrequenten Druckunterschied in den beiden Kammern öffnet und ansonsten geschlossen ist. Im geöffneten Zustand ermöglicht das Dämpferventil einen gedrosselten Fluidstrom zwischen den beiden Kammern.
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Das Dämpferventil ist so ausgelegt, dass es in einem zweiten Frequenzbereich öffnet, der höher liegt als der erste Frequenzbereich.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass mit einem aktiven Dämpfersystem, bestehend aus Hydraulikpumpe und elektrischer Maschine, niederfrequente Anregungen sehr gut zu dämpfen sind. Um jedoch auch hochfrequente Anregungen zu dämpfen, bedarf es des passiven Dämpferventils, welches frequenzselektiv öffnet. Dadurch können auch hochfrequente Schwingungen, in der Nähe der Radeigenfrequenz, bedämpft werden. Damit kann die Aufbaubewegung hinsichtlich Vertikalbeschleunigung, Wank- und Nickverhalten mit relativ klein dimensionierten Bauteilen und überschaubarem Energiebedarf optimiert werden, während für hochfrequente Störanregungen und die Radeigenfrequenz eine passive Bedämpfung ohne störenden Phasenverzug zur Verfügung steht. Eine gegenseitige Beeinflussung von aktiver Stellbewegung und passiver Dämpfung, die sich nachteilig auf den Wirkungsgrad der Aktuatorik auswirken würde, kann durch die Trennung der Frequenzbereiche, in denen die beiden Systeme arbeiten, vermieden werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Frequenzbereich bei 8 Hz, vorzugsweise bei 9 Hz, besonders vorzugsweise bei 10 Hz, beginnt. Der erste Frequenzbereich endet vorzugsweise deutlich unter dem Beginn des zweiten Frequenzbereiches.
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Die genaue Ausbildung des frequenzselektiven Ventils ist beispielsweise in
DE 602 10 652 T2 beschrieben, deren Inhalt hier explizit mit aufgenommen wird. Allerdings ist zu beachten, dass in
DE 602 10 652 T2 neben dem frequenzselektiven Ventil auch hauptsächliche Strömungskanäle direkt im Kolben vorgesehen sind. Auf diese hauptsächlichen Strömungskanäle wird im Rahmen der Erfindung verzichtet, da die niederfrequente Dämpfung über die aktive Einheit aus Hydraulikpumpe und elektrischer Maschine erfolgt.
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So ist bevorzugt vorgesehen, dass das Dämpferventil einen an einem Ventilsitz anliegenden Ventilkörper umfasst, wobei der Ventilkörper durch den hochfrequenten Druckunterschied vom Ventilsitz wegbewegbar ist.
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Vorteilhafterweise ist im Ventilkörper eine stets geöffnete Drossel ausgebildet. Diese Drossel weist einen relativ engen Querschnitt auf. Bei einem statischen oder niederfrequenten Druckunterschied zwischen den beiden Kammern erfolgt über die Drossel ein Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des Ventilkörpers. Bei einer hochfrequenten Anregung und somit einem hochfrequenten Druckunterschied zwischen den beiden Kammern kann der Druck durch die Drossel nicht mehr ausgeglichen werden, wodurch es zu einem Druckunterschied auf den beiden Seiten des Ventilkörpers kommt, wodurch wiederum der Ventilkörper vom Ventilsitz wegbewegt wird.
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Vorteilhafterweise ist eine Feder vorgesehen, die den Ventilkörper in Richtung des Ventilsitzes beaufschlagt.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass hydraulisch aktive Flächen am Ventilkörper und/oder die Feder und/oder die Drossel dazu ausgelegt sind, dass bei einer auf die Dämpfereinheit wirkenden Schwingungsfrequenz im zweiten Frequenzbereich das Dämpferventil öffnet. So kann sowohl durch die Dimensionierung der Drossel, durch die Stärke der Feder als auch durch die Gestaltung der hydraulisch aktiven Flächen das Öffnungsverhalten des Dämpferventils beeinflusst werden. Dadurch ist es möglich, den Frequenzbereich, bei dem das Dämpferventil öffnet, festzulegen.
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Für die Anordnung des zumindest einen Dämpferventils sind unterschiedliche Varianten bevorzugt vorgesehen: Gemäß einer ersten Variante befindet sich das Dämpferventil an oder in der Kolbenstange bzw. im Kolben. Das Dämpferventil ist also innerhalb des Zylinders der Dämpfereinheit angeordnet. Alternativ dazu ist gemäß einer zweiten Variante vorgesehen, dass das zumindest eine Dämpferventil außerhalb des Zylinders angeordnet ist. Parallel zu der Pumpe kann somit auch außerhalb des Zylinders das zumindest eine Dämpferventil angeordnet werden.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das Dämpferventil sowohl in Zugrichtung als auch in Druckrichtung der Dämpfereinheit öffnet. Alternativ dazu wird nur für die Zugrichtung ein Dämpferventil angeordnet, oder es gibt zumindest zwei Dämpferventile, jeweils eines für die Zugrichtung und eines für die Druckrichtung.
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Das aktive Dämpfersystem umfasst bevorzugt eine Steuereinheit zum Ansteuern der aktiven Einheit sowie Sensoren zur Erfassung von Fahrzeugdaten und/oder Fahrzeugumgebungsdaten. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet die aktive Einheit für ein Dämpfen der Karosserie und/oder für einen Wank- oder Nickausgleich der Karosserie in Abhängigkeit der erfassten Daten anzusteuern. Die Sensoren ermitteln beispielsweise den Radhub, die Radbeschleunigung, die Fahrgeschwindigkeit oder den Lenkwinkel. Da die Signalbereitstellung und Signalverarbeitung eine gewisse Zeit benötigt und die verwendete Aktuatorik nicht beliebig schnell reagieren kann, entsteht mit zunehmender Anregungsfrequenz ein immer größerer Phasenverzug der Stellbewegung. Wenn dieser Phasenverzug eine Größenordnung von 15 bis 20° überschreitet, ist eine zufriedenstellende Ausregelung der Störanregung nicht mehr gewährleistet. Mit der aktiven Einheit aus Hydraulikmotor und elektrischer Maschine und der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie aus dem Bordnetz wird der kritischer Phasenverzug erreicht, wenn die Anregungsfrequenz in der Größenordnung der Radeigenfrequenz von 10 bis 15 Hz liegt. Beim Versuch, die Dynamik der Aktuatorik der aktiven Einheit zu erhöhen, ergeben sich höhere Anforderungen an die Leistung von Hydraulikpumpe und elektrischer Maschine, womit nicht nur höherer Energiebedarf, sondern auch eine größere Dimensionierung dieser Bauteile verbunden ist. Damit steigen die rotatorischen Trägheitsmomente an, was sich wiederum nachteilig auf die angestrebte höhere Dynamik auswirkt. Um diese Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß das passive Dämpferventil eingesetzt, welches in diesem hochfrequenten Bereich dämpft.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes aktives Dämpfersystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 ein erfindungsgemäßes aktives Dämpfersystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 und 4 eine konstruktive Ausgestaltung eines passiven Dämpferventils für das erste oder zweite Ausführungsbeispiel,
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5 ein erfindungsgemäßes aktives Dämpfersystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
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6 ein erfindungsgemäßes aktives Dämpfersystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden werden vier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der 1 bis 6 erläutert. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die 1, 2, 5 und 6 zeigen das aktive Dämpfersystem 1 schematisch vereinfacht.
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Das aktive Dämpfersystem 1 aller Ausführungsbeispiele wird in einem Kraftfahrzeug eingesetzt und dabei zwischen einem Rad und der Karosserie angeordnet.
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Gemäß 1 umfasst das aktive Dämpfersystem 1 eine Dämpfereinheit 2. Die Dämpfereinheit 2 wiederum umfasst einen Zylinder 3 der fluidgefüllt ist. In dem Zylinder 3 ist ein Kolben 4 linearbeweglich geführt. Der Kolben 4 ist fest mit einer Kolbenstange 5 verbunden. Über die Kolbenstange 5 erfolgt die Anbindung zur Karosserie. Über den Zylinder 3 erfolgt die radseitige Anbindung.
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Der Kolben 4 unterteilt den Zylinder 3 in eine obere erste Kammer 6 und eine untere zweite Kammer 7. Des Weiteren zeigt die 1 eine Zugrichtung 13 und eine Druckrichtung 14 der Dämpfereinheit 2.
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Das aktive Dämpfersystem 1 umfasst ferner eine aktive Einheit 8 mit einer Hydraulikpumpe 9 und einer elektrischen Maschine 10. Des Weiteren ist hier ein Druckspeicher 11 vorgesehen. Der Druckspeicher 11 ist beispielhaft mit der ersten Kammer 6 verbunden, kann jedoch auch mit der zweiten Kammer 7 verbunden werden. Mittels der elektrischen Maschine 10 kann die Hydraulikpumpe 9 angetrieben werden. Ferner ist es auch möglich, beispielsweise zum Dämpfen einer niederfrequenten Schwingung über die Hydraulikpumpe 9 die elektrische Maschine 10 generatorisch zu betreiben.
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Des Weiteren kann mit der aktiven Einheit 8 nicht nur eine Bewegung gedämpft werden, sondern es ist auch möglich, den Kolben 4 im Zylinder 3 aktiv zu stellen, um so beispielsweise eine Nick- oder Wankbewegung des Fahrzeugs auszugleichen.
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Innerhalb der zweiten Kammer 7 am unteren Ende der Kolbenstange 5 ist ein erstes Dämpferventil 12 angeordnet. Dieses erste Dämpferventil 12 ist über eine in 1 nicht dargestellte fluidleitende Verbindung mit der ersten Kammer 6 verbunden. Das erste Dämpferventil 12 öffnet bei einer hochfrequenten Anregung in Zugrichtung 13.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 ist nicht nur das erste Dämpferventil 12 für die Zugrichtung 13, sondern auch in der ersten Kammer 6 ein zweites Dämpferventil 15 für die Druckrichtung 14 angeordnet. Beide Dämpferventile 12, 15 öffnen bei entsprechend hochfrequentem Druckunterschied in den beiden Kammern 6, 7.
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3 und 4 zeigen eine mögliche konstruktive Ausgestaltung des ersten Dämpferventils 12. Das zweite Dämpferventil 15 wird entsprechend sinngemäß aufgebaut.
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Zum ersten Dämpferventil 12 führt eine fluidleitende Verbindung 16 durch die Kolbenstange 5. Am oberen Ende mündet die fluidleitende Verbindung 16 in der ersten Kammer 6.
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Das Dämpferventil 12 weist einen Ventilkörper 17 auf. Dieser Ventilkörper 17 liegt bei einer niederfrequenten Anregung oder im Ruhezustand gemäß 3 an einem Ventilsitz 18 an. Dadurch ist das erste Dämpferventil 12 geschlossen.
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Im Ventilkörper 17 befindet sich eine Drossel 19 mit relativ engem Querschnitt. Diese Drossel 19 führt zur Unterseite des Ventilkörpers 17. Unterhalb des Ventilkörpers 17 befindet sich eine Membran 20. Die Membran 20 wird an ihrer Unterseite mit dem Druck der zweiten Kammer 7 beaufschlagt. Des Weiteren ist ein Absatz 21 am Ventilkörper 17 vorgesehen. An diesem Absatz 21 kann beispielsweise eine tellerförmige Feder angeordnet werden, die den Ventilkörper 17 auf den Ventilsitz 18 drückt.
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Gemäß 3 ist bei niederfrequenter Anregung oder im Ruhezustand das Dämpferventil 12 geschlossen. Dabei erfolgt stets ein Druckausgleich zwischen der Ober- und Unterseite des Ventilkörpers 17 über die Drossel 19. Bei einer hochfrequenten Anregung, im gezeigten Beispiel in Zugrichtung 13, kann der hochfrequente Druckunterschied nicht mehr über die Drossel 19 ausgeglichen werden. Dadurch steigt der Druck auf der Oberseite des Ventilkörpers 17, wodurch sich der Ventilkörper 17 nach unten bewegt und somit das Ventil geöffnet wird. Dieser Zustand ist in 4 gezeigt. Im geöffneten Zustand strömt das Öl aus der fluidleitenden Verbindung 16 durch das geöffnete Dämpferventil 12 in die zweite Kammer 7 des Zylinders 3.
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Im dritten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist das erste Dämpferventil 12 außerhalb des Zylinders 3 angeordnet. Dabei ist das erste Dämpferventil 12 parallel zur Hydraulikpumpe 9 angeordnet. 6 zeigt gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel eine Variante, bei der sowohl das erste Dämpferventil 12 für die Zugrichtung 13 als auch das zweite Dämpferventil 15 für die Druckrichtung 14 außerhalb des Zylinders 3 angeordnet ist.
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Des Weiteren ist es auch möglich, eines der beiden Dämpferventile 12, 15 innerhalb des Zylinders 3 anzuordnen und das andere Dämpferventil außerhalb.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktives Dämpfersystem
- 2
- Dämpfereinheit
- 3
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 5
- Kolbenstange
- 6
- Erste Kammer
- 7
- Zweite Kammer
- 8
- Aktive Einheit
- 9
- Hydraulikpumpe
- 10
- Elektrische Maschine
- 11
- Druckspeicher
- 12
- Erstes Dämpferventil
- 13
- Zugrichtung
- 14
- Druckrichtung
- 15
- Zweites Dämpferventil
- 16
- Fluidleitende Verbindung
- 17
- Ventilkörper
- 18
- Ventilsitz
- 19
- Drossel
- 20
- Membran
- 21
- Absatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60210652 T2 [0003, 0011, 0011]
