DE102017128725B4

DE102017128725B4 - Fahrzeug mit einem Aufhängungskraft-Entkopplungssystem

Info

Publication number: DE102017128725B4
Application number: DE102017128725.6A
Authority: DE
Inventors: Klaus Trangbaek
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: US20180162187A1; CN108215698B; DE102017128725A1; CN108215698A; US10065474B2

Abstract

Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) zur Verwendung mit einem Fahrzeug (10) mit einem Lenker (22), der mit einem Laufrad (12) und einer Fahrzeugkarosserie (16) verbunden ist und sich zwischen diesen erstreckt, das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) umfassend:ein Stellglied (15) mit einer ersten und einer zweiten Stellgliedmasse (Au, AL), wobei das Stellglied (15) auf einer Achse (17) angeordnet ist, die sich zwischen dem Lenker (22) und der Fahrzeugkarosserie (16) erstreckt, und so konfiguriert ist, um eine Stellgliedkraft (FA) als Reaktion auf ein Stellgliedsteuersignal (CCo) auszugeben, um dadurch die Stellgliedmassen (Au, AL) entlang der Achse (17) zu verlängern oder zu verkürzen;ein erstes und ein zweites nachgiebiges Element (19U, 19L) zur Bereitstellung eines vorbestimmten mechanischen Nachgiebigkeitsniveaus, wobei das erste nachgiebige Element (19U) entlang der Achse (17) zwischen die erste Stellgliedmasse (Au) und die Fahrzeugkarosserie (16) verbunden ist, und das zweite nachgiebige Element (19L) entlang der Achse (17) zwischen die zweite Stellgliedmasse (AL) und dem Lenker (22) verbunden; undeine Steuerung (50), die so konfiguriert ist, um das Stellgliedsteuersignal (CCo) als Reaktion auf eine Beschleunigung der Fahrzeugkarosserie (16) zu bestimmen und zu erzeugen, die für Straßenvibrationen repräsentativ ist, sodass die Stellgliedkraft (FA) von den Straßenvibrationen in einem vorbestimmten Frequenzbereich entkoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufhängungskraft-Entkopplungssystem zur Verwendung in einem Fahrzeug, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der DE 199 58 178 C1 bekannt ist.
EINLEITUNG
Aufhängungssysteme der heutigen Fahrzeuge und anderer fahrbarer mobiler Plattformen können an den Ecken der Fahrzeugkarosserie oder des Fahrgestells verwendet werden. Eckaufhängungssysteme beinhalten im Allgemeinen ein System von Federn, Stoßdämpfern und Gestänge, welche die Fahrzeugkarosserie mit den Laufrädern des Fahrzeugs verbinden. Weil die Mehrheit der auf die Fahrzeugkarosserie wirkenden Kräfte durch Aufstandsflächen zwischen der Fahrbahnoberfläche und den Reifen der Laufräder übertragen wird, ist eines der Hauptziele eines Eckaufhängungssystems, den Kontakt zwischen den Laufrädern und der Fahrbahn zu halten oder diese zu „haften“.
Fahrzeugaufhängungssysteme tragen zum Fahrkomfort und zur Isolierung von Fahrbahngeräuschen, Bodenunebenheiten und Vibrationen sowie zur Straßenlage/-handhabung und Bremsleistung bei. Da diese Ziele im Allgemeinen miteinander uneins sind, beinhaltet das Abstimmen oder die Konfiguration eines gegebenen Eckaufhängungssystems das Finden eines optimalen Kompromisses zwischen Komfort und Haftung, der für den Verwendungszweck des Fahrzeugs geeignet ist. So kann beispielsweise ein Eckaufhängungssystem für ein Sportfahrzeug abgestimmt werden, um einen Fahrkomfort im Gegenzug für eine verbesserte Haftung und Bedienung aufzugeben, während ein Eckaufhängungssystem für ein Luxusfahrzeug für das entgegengesetzte Ergebnis abgestimmt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Hierin ist ein Kraftentkopplungssystem offenbart, das als Teil eines Eckaufhängungssystems eines Fahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs oder einer anderen fahrbaren mobilen Plattform, verwendbar ist. Das Kraftentkopplungssystem integriert abgestimmte Massendämpfungseigenschaften mit aktiven Aufhängungskomponenten durch Verbinden eines steuerbaren/aktiven Aufhängungsstellglieds mit der Fahrzeugkarosserie und/oder einem Lenker eines Eckaufhängungssystems über ein oder mehrere geeignete nachgiebige Elemente, wie etwa, aber nicht beschränkt auf eine Sprungfeder. Der vorliegende Ansatz beabsichtigt, den oben erwähnten Kompromiss zwischen Komfort und Haftung durch Entkoppeln von Stellgliedkräften von Fahrzeugkarosseriebeschleunigungen, die während der Fahrt auf einer Fahrbahnoberfläche auftreten, zu optimieren, insbesondere bei Fahrbahngeräusch-/Vibrationsfrequenzen, die sich der „vertikalen Radschwingungs“-Frequenz für das Fahrzeug annähern.
Der Begriff „vertikale Radschwingung“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf ein Phänomen, bei dem die Laufräder dazu neigen, aufgrund von Wirkungen der vertikalen Schwingung der ungefederten Masse des Aufhängungssystems, d. h. der Masse des Laufrads und des Lenkers, zu wackeln oder zu vibrieren. Solch eine vertikale Bewegung kann zu Haftungsschwankungen führen, um an der Fahrbahnoberfläche aufzutreten. Das hierin offenbarte System soll somit die Leistung bestehender Eckaufhängungssysteme verbessern, indem es eine gezielte Kraftentkopplung in einem vorbestimmten Frequenzbereich ermöglicht, wie etwa dem Frequenzbereich, der der vertikalen Radschwingungs-Frequenz entspricht.
Durch Verwenden eines Aufhängungsstellglieds als ein freier Körper, wie hierin dargelegt, kann die Stellgliedkraft wirksam von vertikalen Karosseriebeschleunigungen entkoppelt werden, um den gesamten Fahrkomfort über alle Fahrbahnvibrationsfrequenzen zu verbessern. Die Aufhängungsleistung kann daher über eine geeignete Auswahl der Massen des Aufhängungsstellglieds und der Nachgiebigkeitseigenschaften der Sprungfedern oder anderer hierin beschriebener, mechanisch nachgiebiger Elemente „abgestimmt“ werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gummibuchsenkonfigurationen, die passive mechanische Nachgiebigkeitsniveaus von mehr als 500 N/mm vorsehen, verwendet der vorliegende Ansatz absichtlich mechanisch nachgiebige Elemente, die ein viel niedrigeres oder „weicheres“ Nachgiebigkeitsniveau vorsehen, z. B. 20 N/mm - 50 N/mm, sodass Resonanzfrequenzen, die von Fahrbahnvibrationen erfahren werden, sich der vertikalen Radschwingungs-Frequenz des Fahrzeugs nähern, typischerweise in der Größenordnung von etwa 9-13 Hertz (Hz).
Ein erfindungsgemäßes Aufhängungskraft-Entkopplungssystem zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 aus. Auf diese Weise kann die Stellgliedkraft wirksam von den Fahrbahnvibrationen in einem vorbestimmten Frequenzbereich, z. B. etwa 9-13 Hz, entkoppelt werden, wenn der vorbestimmte Frequenzbereich eine vertikale Radschwingungs-Frequenz des Fahrzeugs ist.
Das Aufhängungsstellglied kann mittels einiger nicht einschränkender Beispiele verschiedenartig als ein Linearmotor, ein Drehmotor, wie etwa eine motorisierte Schraubenanordnung, ein hydraulisches Stellglied, ein gesteuerter Dämpfer oder ein hydro-pneumatischer Kolben ausgeführt sein. Halbaktive Ausführungsformen können magnetorheologische oder elektrorheologische fluidbasierte Vorrichtungen beinhalten.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines exemplarischen Fahrzeugs mit einer einzelnen Eckaufhängung, die ein Aufhängungskraft-Entkopplungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet.
2 ist eine schematische Darstellung des Aufhängungskraft-Entkopplungssystems für ein gegebenes Laufrad des Fahrzeugs, dargestellt in 1.
3A und 3B sind Bode-Diagramme, die relative Auswirkungen auf den Fahrkomfort und die Haftung unter Verwendung des Aufhängungskraft-Entkopplungssystems von 2 beschreiben, wobei die Größe der Verstärkung und die Reifenkraftveränderung jeweils auf der vertikalen Achse und die Frequenz auf der horizontalen Achse dargestellt ist.
4A-C sind exemplarische Zeitdiagramme der Verschiebung, der Beschleunigung und der Reifenkraft, wobei die Größe auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse dargestellt ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, stellt 1 eine schematische Ansicht eines exemplarischen Fahrzeugs 10 dar, das mehrere Laufräder 12 in Rollkontakt mit einer Fahrbahnoberfläche 13 aufweist. Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine Fahrzeugkarosserie 16, die bezüglich einer vertikalen (Z), longitudinalen (X) und transversalen/ lateralen (Y) Achse in einem exemplarischen kartesischen XYZ-Koordinatensystem angeordnet ist. In der exemplarischen Ausführungsform von 1, weist das Fahrzeug 10 vier Ecken C1, C2, C3 und C4 auf. Jedes der Laufräder 12 ist an einer der Ecken C1-C4 angeordnet und ist funktionell mit einem Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14, wie hierin beschrieben, verbunden. Obwohl in 1 vier Laufräder 12 und somit vier Ecken C1-C4 dargestellt sind, kann ein Fahrzeug 10 mit weniger oder mehr Laufrädern 12 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung betrachtet werden.
Obwohl dies zur Veranschaulichung der Einfachheit in den Figuren weggelassen ist, beinhaltet das Fahrzeug 10 auch ein Aggregat, die konfiguriert ist, um ein Antriebsmoment zum Antreiben des Fahrzeugs 10 zu erzeugen. Solch ein Aggregat kann einen Verbrennungsmotor, einen oder mehrere Motoren/Generatoren und/oder eine Brennstoffzelle beinhalten, von denen keines speziell dargestellt ist, aber ein Aggregat, das solche Vorrichtungen beinhaltet, würde von Fachleuten geschätzt werden. Das Drehmoment von des Aggregats treibt das Fahrzeug 10 entlang der Fahrbahnoberfläche 13 an, wobei die Fahrzeugkarosserie 16 eine Beschleunigung in X-, Y- und/oder Z-Richtung als Reaktion auf Fahrbahngeräusche und Vibrationen erfährt. Das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14 ist daher wie hierin beschrieben so konfiguriert, um den Fahrkomfort und die Haftung der Laufräder 12 auf der Fahrbahnoberfläche 13 angesichts solcher Fahrbahnvibrationen zu optimieren, und insbesondere bei niedrigeren Frequenzen, die sich der oben erwähnten vertikalen Radschwingungs-Frequenz nähern oder diese überlappen, z. B. etwa 9-13 Hertz (Hz).
Das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14 kann als Teil eines größeren Fahrzeug-Eckaufhängungssystems wirken, von dem Elemente schematisch in 2 dargestellt und im Folgenden beschrieben sind. Jedes der Systeme 14 verbindet die Fahrzeugkarosserie 16 betriebsmäßig mit einem entsprechenden der Laufräder 12, um einen Kontakt zwischen den Laufrädern 12 und der Fahrbahnoberfläche 13 aufrechtzuerhalten und die Handhabung des Fahrzeugs 10 zu erleichtern. Während einige Komponenten eines Eckaufhängungssystems in 2 zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen sind, beinhaltet ein Eckaufhängungssystem typischerweise zur Veranschaulichung an jeder Ecke C1-C4 einen oder mehrere Lenker 22, entsprechende obere und untere Kugelgelenke, Lagerungen 24, die die Lenker 22 schwenkbar lagern, einen Achsschenkel, der so konfiguriert ist, um ein jeweiliges Laufrad 12 über eine Radnaben- und Lageranordnung, einen primären Stoßdämpfer 190, Spurstangen, Querstabilisatoren und Torsionsstäbe oder Stabilisatorstäbe drehbar zu lagern. Das hierin beschriebene Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14 soll in Verbindung mit solchen Komponenten arbeiten, um die offenbarten Kraftentkopplungsvorteile vorzusehen.
Unter Bezugnahme auf 2, beinhaltet eine bestimmte Ecke C1, C2, C3 oder C4 des in 1 dargestellten Fahrzeugs 10 das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14, das wiederum innerhalb einer Radmulde 20 verbunden ist, die durch die Fahrzeugkarosserie 16 an einem Ort benachbart zu einem Laufrad 12 definiert ist. Das Laufrad 12 wiederum dreht sich um eine Drehachse 11. Der Lenker 22 ist an der Fahrzeugkarosserie 16 über eine Lagerung 24 verbunden. Die Lagerung 24 kann an der Fahrzeugkarosserie 16 an einer verstärkten, tragenden Karosseriestrukturposition, wie etwa einem Fahrzeugunterrahmen oder einer Antriebsstütze, montiert sein.
Das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14 beinhaltet ein Aufhängungsstellglied (A) 15 mit einem oder mehreren verbundenen Stellgliedmassen 18. In der exemplarischen Ausführungsform von 2 können die Stellgliedmassen 18 eine erste/ obere Stellgliedmasse (Au) und eine zweite/ untere Stellgliedmasse (A_L) mit „obere“ und „untere“ beinhalten, die die relative Position entlang einer Achse 17 des Aufhängungskraft-Entkopplungssystems 14 relativ zur Fahrbahnoberfläche 13 bezeichnen, und wobei sich die Achse 17 zwischen der Fahrzeugkarosserie 16 und dem Lenker 22 erstreckt, beispielsweise etwa senkrecht zur Fahrbahnoberfläche 13. Das System 14 ist auf der Stellgliedachse 17 angeordnet, wobei der Lenker 22 in einer im Allgemeinen orthogonalen Weise in Bezug auf die Stellgliedachse 17 angeordnet ist, z. B. innerhalb von ± 15 Grad der wahren Orthogonalen.
Die oberen und unteren Stellgliedmassen (Au, A_L) können je nach Bedarf entlang der Stellgliedachse 17 ausgefahren/ eingefahren oder anderweitig bewegt werden, einschließlich einer möglichen Drehbewegung in Ausführungsformen bei denen eine Torsionsnachgiebigkeit erwünscht ist. Das Aufhängungsstellglied 15 beinhaltet auch erste/ obere und zweite/ untere nachgiebige Elemente 19U und 19L, wie etwa feste Sprungfedern oder Dämpfer mit einem vorbestimmten mechanischen Nachgiebigkeitsniveau, d. h. die Übertragung einer Eingangskraft oder - Verschiebung, die durch das Aufhängungsstellglied 15 durch eine elastische Körperverformung übermittelt wird.
Wie in 2 dargestellt, können sowohl das obere als auch das untere nachgiebige Element 19U und 19L in einigen Ausführungsformen verwendet werden. Das obere nachgiebige Element 19U verbindet die obere Stellgliedmasse (Au) mit der Fahrzeugkarosserie 16 mit einem ersten mechanischen Nachgiebigkeitsniveau. Auf ähnliche Weise verbindet das untere nachgiebige Element 19L die untere Stellgliedmasse (A_L) mit dem Lenker 22 mit einem zweiten mechanischen Nachgiebigkeitsniveau. Die ersten und zweiten mechanischen Nachgiebigkeitsniveaus können gleich oder unterschiedlich sein, abhängig von der gewünschten Komfort-/ Haftungs-Kompromissleistung, beispielsweise mit dem oberen nachgiebigen Element 19U, das ein relativ niedriges mechanisches Nachgiebigkeitsniveau vorsieht, und dem unteren nachgiebigen Element 19L, das ein relativ hohes mechanisches Nachgiebigkeitsniveau vorsieht, wie es in den nichtbeschränkenden exemplarischen Leistungsdiagrammen, die in den 4A-C dargestellt sind und im Folgenden beschrieben werden, der Fall ist. Während der spezielle Unterschied in den Nachgiebigkeitsniveaus mit der beabsichtigten Funktion des Fahrzeugs 10 variieren kann, kann das untere nachgiebige Element 19L für Veranschaulichungszwecke in bestimmten Ausführungsformen, in denen es weicher ist, ein Nachgiebigkeitsniveau von weniger als 90 % des ersten nachgiebigen Elements 19U aufweisen, in denen eine geringere Nachgiebigkeit wünschenswert ist.
Das Aufhängungsstellglied 15 kann verschiedenartig als ein Linear- oder Drehmotor, wie etwa eine Drehschraubenanordnung, ausgeführt sein. Alternativ kann das Aufhängungsstellglied 15 ein gesteuerter hydraulischer oder hydro-pneumatischer Zylinder, eine magnetorheologische (MR) oder elektrorheologische (ER) Vorrichtung, ein Regelventil, ein Solenoid oder ein anderes geeignetes aktives Stellglied sein, das so konfiguriert ist, um eine Stellgliedkraft (F_A) axial und/oder rotatorisch entlang der Stellgliedachse 17 als Reaktion auf ein Stellgliedsteuersignal (Pfeil CCo) von einer Steuerung (C) 50 auszugeben. Die Stellgliedkraft (F_A) wirkt auf die oberen und unteren nachgiebigen Elemente 19U und 19L gleich, indem sie die Stellgliedkraft (F_A) in entgegengesetzte Richtungen ausgibt, und somit jeweils die oberen und untere nachgiebigen Elemente 19U und 19L gegen die Fahrzeugkarosserie 16 und den Lenker 22 komprimiert. Auf diese Weise ist das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14 so konfiguriert, um Kräfte oder Belastungen dynamisch zu kompensieren, die von Fahrbahnvibrationen erfahren werden, wenn das Fahrzeug 10 in Betrieb ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen passiven Dämpfern, bei denen kalibrierte Massen effektiv starr an den Massen des Laufrades 12 und des Lenkers 22 angebracht sind, ist das Aufhängungsstellglied 15 von 2 über nachgiebige Elemente 19U und 19L oberhalb und/oder unterhalb des Aufhängungsstellglieds 15 verbunden. Ein optionaler Stoßdämpfer 190, z. B. eine andere Sprungfeder, kann verwendet werden, um die statische Last der Fahrzeugkarosserie 16 an einer bestimmten Ecke C1-C4 zu tragen oder zu stützen, wobei der Stoßdämpfer 190 parallel zur Stellgliedachse 17 des Aufhängungskraft-Entkopplungssystems 14 angeordnet ist, wie um das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14 wie dargestellt.
Da aktive Aufhängungsstellglieder, wie das Aufhängungsstellglied 15 von 2, typischerweise schwerer als passive Dämpfer sind, ist eine nützliche Menge an Stellgliedmasse 18, normalerweise um die 2-10 kg, verfügbar, um als Dämpfer mit abgestimmter Masse, wie hierin dargelegt, verwendet zu werden. Das heißt, eine Beschleunigung der Stellgliedmassen 18 auf kontrollierte Weise als Reaktion auf Beschleunigungen der Fahrzeugkarosserie 16, die durch einen gesteuerten Betrieb des Aufhängungsstellglieds 15 durch die Steuerung 50 erreicht werden, sieht eine gezielte Entkopplung der auf der Fahrbahnvibration basierenden Kräfte und Beschleunigungen von der Fahrzeugkarosserie 16 vor, die an den Ecken C1-C4 in bestimmten Frequenzbändern, einschließlich der für vertikale Radschwingung typischen niedrigen Frequenzen, erfahren werden.
Die Steuerung 50 kann als eine oder mehrere Computervorrichtungen ausgeführt sein, die den erforderlichen Speicher (M) und einen Prozessor (P) sowie andere zugehörige Hardware und Software aufweisen, z. B. einen Taktgeber oder einen Zeitgeber, eine Eingabe-/ Ausgabeschaltung usw. Speicher (M) beinhaltet ausreichende Mengen an Nur-Lese-Speicher, zum Beispiel einen magnetischen oder optischen Speicher, auf dem eine Nachschlagetabelle 75 aufgezeichnet ist, und computerlesbare Anweisungen, die ein Verfahren 100 verkörpern. Die Steuerung 50 ist so konfiguriert, um das Verfahren 100 auszuführen, um dadurch den Betrieb des Aufhängungsstellglieds 15 als Reaktion auf Eingangssignale (Pfeil CC_I) von einem oder mehreren Sensoren (Sx) 25 zu regulieren oder zu steuern.
Als Teil des vorliegenden Ansatzes können die Sensoren 25 eine Bewegung der Fahrzeugkarosserie 16 und eine Vertikal-/ Auf-Ab-Bewegung der Laufräder 12, d. h. eine Bewegung entlang der Z-Achse von 1., messen und daher als Beschleunigungsmesser ausgebildet sein, der an der Fahrzeugkarosserie 16 und den Laufrädern 16 montiert ist. Die Sensoren 25 sind so konfiguriert, um Beschleunigungen zu erfassen oder zu erkennen, die eine Kurvenfahrt, Vorwärtsbeschleunigung und/oder ein Bremsen des Fahrzeugs 10 und die während solcher Manöver erzeugten Kräfte anzeigen. Die Sensoren 25 können einzelne laterale, longitudinale und vertikale Beschleunigungssensoren beinhalten, die so konfiguriert sind, um eine Beschleunigung des Fahrzeugs 10 entlang der Achsen X, Y und Z von 1 zu erkennen. Das Fahrzeug 10 kann ein Stabilitätssteuersystem (nicht dargestellt) verwenden, wobei die Sensoren 25 Teil eines solchen Systems sind. Die Sensoren 25 sind auch so konfiguriert, um ein Signal, das den bestimmten erfassten Parameter anzeigt, an die Steuerung 50 mit den kollektiven Signalen zu übertragen, die in 1 als Eingangssignale (Pfeil CC_I) dargestellt sind.
Die Steuerung 50 ist so konfiguriert, um die Eingangssignale (Pfeil CC_I) von den Sensoren 25 zu empfangen, zum Beispiel über einen Controller Area Network (CAN)-Bus oder über Niederspannungsdrähte (nicht dargestellt), um eine vorbestimmte Stellgliedkraft (F_A) aus der Nachschlagetabelle 75 als eine Funktion der Eingangssignale (Pfeil CC_I) auszuwählen und schließlich das Aufhängungsstellglied 15 basierend auf solchen Eingangssignalen (Pfeil CC_I) in Echtzeit zu steuern, d. h. mit einer in Millisekunden gemessenen Antwortzeit. Die Steuerung 50 ist auch so programmiert, um Änderungen in der Fahrzeugausrichtung relativ zur Fahrbahnoberfläche 13 zu bestimmen, wenn das Fahrzeug 10 verschiedene Manöver und als Reaktion auf die empfangenen Signale von den Sensoren 25 ausführt, und um den Betrieb des Aufhängungsstellglieds 15 basierend auf einer solchen Bestimmung zu regeln. Die Steuerung 50 ist somit so konfiguriert, um die Stellgliedkraft (F_A) als Reaktion auf eine Beschleunigung der Fahrzeugkarosserie 16 zu bestimmen und zu erzeugen, z. B. als eine lineare Funktion der erfassten Beschleunigung, sodass eine Kraft aufgrund von Beschleunigungen der Fahrzeugkarosserie 16 in einem vorbestimmten Frequenzbereich, z. B. dem vertikalen Radschwingungs-Frequenzbereich von etwa 9-13 Hz oder anderen gewünschten Frequenzbereichen, entkoppelt wird.
3A und 3B sind Bode-Diagramme, die als Übertragungsfunktion den Kompromiss zwischen Komfort und Haftung als Reaktion auf eine kalibrierte periodische/ sinusförmige Fahrbahnoberflächen-Vibrationsbeschleunigung von 1 m/s für eine gegebene Konfiguration des Aufhängungskraft-Entkopplungssystems 14 zeigen. Fahrbahngeräusche haben frequenzbasierte Effekte auf jeweils den Komfort (vertikale Beschleunigungsverstärkung (G₁₆) der Fahrzeugkarosserie 16), wie in 3A dargestellt, und die Haftung (Variationen der Reifennormalkräfte, F₁₂), wie in 3B dargestellt. In beiden Figuren ist die Frequenz auf der horizontalen Achse dargestellt und die Größe ist auf den vertikalen Achsen dargestellt.
Die Kurve 30 von 3A stellt eine für passive Dämpfung typische Eckaufhängungsreaktion dar, z. B. unter Verwendung von relativ steifen Gummilagern, um die Massen eines Eckaufhängungssystems mit einer Fahrzeugkarosserie, wie etwa der Fahrzeugkarosserie 16 von 1, zu verbinden und das ausschließliche Verlassen auf passive Nachgiebigkeit von solchen Lagern. Die Kurve 32 stellt eine aktive Aufhängungskonfiguration dar, in der ein Aufhängungsstellglied, wie etwa das Aufhängungsstellglied 15 von 2, starr mit der Fahrzeugkarosserie 16, möglicherweise über ein Hartgummilager, verbunden. Der Bereich 35 beinhaltet einen invarianten Punkt (P_I), d. h. einen Punkt, an dem die Reaktion der Fahrzeugkarosserie 16 oder des Gehäuses, üblicherweise um 10-11 Hz, durch die Verwendung des aktiven Aufhängungsstellglieds 15 allein nicht verbessert wird, ohne die hierin offenbarte Kraftentkopplung hinzuzufügen. Die Kurve 34 stellt eine Reduzierung bei Zielfrequenzen der Fahrbahnvibrationsantwort der Fahrzeugkarosserie 16 dar, wenn das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14 von 2 und die Abweichung vom invarianten Punkt (P_I), den eine solche Entkopplung vorsieht, verwendet wird.
Es versteht sich, dass im Bereich 38, der etwa 1 Hz entspricht, die Kurve 32 (d. h. eine aktive Aufhängung ohne Kraftentkopplung, wie hierin dargelegt) geringfügig kleiner ist als die Kurve 34 (der vorliegende Ansatz verwendet das System 14). Im Bereich von 10-11 Hz, der eine Resonanzschwingung der Fahrzeugkarosserie 16 anzeigt, sieht jedoch eine Beschleunigung der oberen und unteren Stellgliedmassen Au, A_L von 2 eine gewisse Entkopplung von Kräften vor, wodurch die Nachgiebigkeit bei Zielfrequenzen, z. B. bei oder nahe der oben beschriebenen vertikalen Radschwingungs-Frequenz, weicher gemacht wird. Wie oben angemerkt, kann dieser Vorteil jedoch mit einem Komfortkompromiss bei sehr niedrigen Frequenzen, wie etwa 1-2 Hz, einhergehen, d. h. in diesem Beispiel wird eine Leistung von 1-2 Hz im Austausch für eine bessere Leistung von 10 Hz abgegeben. Es kann jedoch möglich sein, die Leistung von 1-2 Hz beizubehalten und dennoch die Leistung von 10 Hz in anderen Ausführungsformen zu verbessern.
3B zeigt die Wirkungen des Aufhängungskraft-Entkopplungssystems 14 von 2 auf die Haftung unter den gleichen Belastungsbedingungen wie in 3A. Die Kurve 130 stellt eine für passive Dämpfung typische Eckaufhängungsreaktion dar. Die Kurve 132 stellt eine herkömmliche aktive Aufhängungskonfiguration dar, bei der ein Stellglied nahezu starr mit der Fahrzeugkarosserie 16 verbunden ist. Die Kurve 134 stellt die Reduzierung bei einigen Frequenzen der Fahrbahnvibrationsreaktion dar, wenn das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem 14 verwendet wird. Wie beim Vergleichen der 3A und 3B ersichtlich ist, existiert der Kompromiss zwischen Komfort und Haftung, da Komfortverbesserungen zwischen 1 Hz und 10 Hz, wie in 3A beobachtet, zu einer Verschlechterung der Haftung bei gleicher Frequenz führen. Man könnte die Leistung anders abstimmen als dargestellt, um den Komfort bei niedrigen Frequenzen und die Haftung bei hohen Frequenzen in anderen Ausführungsformen zu verbessern. Somit kann der vorliegende Ansatz auf die gewünschte Leistung „abgestimmt“ werden, wie etwa eine weichere Nachgiebigkeit bei niedrigen Frequenzen, die typisch für eine vertikale Radschwingung sind.
4A-C zeigen jeweils Zeitdiagramme der Stellgliedmassenverlagerung (d) in Metern (m) relativ zur Fahrzeugkarosserie 16 von 1, eine Spitzenkarosseriebeschleunigung (a) in m/s² und Reifennormalkräfte (F₁₂) in Newton (N) für jeweils eine vergleichbare passive, konventionelle aktive Aufhängung, und den vorliegenden entkoppelten Ansatz unter Verwendung des Systems 14. Zusätzlich stellen 4A-C eine exemplarische Ausführungsform des Systems 14 dar, bei dem das untere nachgiebige Element 19L weicher als das nachgiebige Element 19U ist. In anderen Ausführungsformen kann das untere nachgiebige Element 19L so nachgiebig oder weniger nachgiebig/ hart als das obere nachgiebige Element 19U sein. In einer exemplarischen Konfiguration beträgt die mechanische Nachgiebigkeit des ersten nachgiebigen Elements nicht mehr als etwa 75 Prozent des mechanischen Nachgiebigkeitsniveaus des zweiten nachgiebigen Elements.
Die Kurven 40 zeigen die größere Verschiebung der unteren Stellgliedmasse (A_L) als Reaktion auf eine kalibrierte Fahrbahngeräuscheingabe relativ zu Verschiebungen einer passiven oder konventionellen aktiven Aufhängung. Die Kurve 41 zeigt, dass die Verschiebung der oberen Stellgliedmasse (Au) so konfiguriert werden kann, dass die Verschiebung der oberen Masse (Au) als Reaktion auf eine gegebene Stellgliedkraft (F_A), die wiederum als Reaktion auf ein gegebenes Eingangssignal (Pfeil CC_I) an die Steuerung 50 übermittelt wird, minimiert wird. Die Kurve 43 stellt die vertikale Verschiebung des Antriebsrads 12 relativ zur Fahrzeugkarosserie 16 dar, wiederum mit im Vergleich zu passiven oder herkömmlichen aktiven Aufhängungskonfigurationen unbedeutenden Unterschieden.
4B veranschaulicht die wahrnehmbare Verringerung der Spitzenkarosseriebeschleunigung (α) früh im Beschleunigungsvorgang, z. B. in den ersten 0,1 Sekunden des Beschleunigungsvorgangs. Die Kurve 44 veranschaulicht eine solche Karosseriebeschleunigung relativ zu den Leistungsgrößen von passiven und aktiven Anwendungen, bei denen die Stellgliedkraft (F_A) nicht entkoppelt ist, wie hierin dargelegt. 4C zeigt Variationen der Reifenkraft (F₁₂) als Kurve 45 über die gleiche Zeitspanne wie in den 4A und 4B. Eine Nullabweichung ist wünschenswert. Wie 4C anzeigt, wird die Haftung während die Spitzenkarosseriebeschleunigung reduziert wird (4B) beibehalten.
Somit integriert das System 14 eine abgestimmte Massendämpfung mit aktiver Aufhängung, um eine Kraftentkopplung an den Ecken C1-C4 des Fahrzeugs 10 von 1 zu erreichen, insbesondere durch Verbinden eines Aufhängungsstellglieds 15 mit nachgiebigen Elementen, zum Beispiel Sprungfedern, unter Verwendung von viel weicheren mechanischen Nachgiebigkeitsniveaus (20 N/mm und mehr). Durch Verbinden eines Aufhängungsstellglieds 15 mit Federn oder anderen nachgiebigen Elementen kann der Kompromiss zwischen Komfort und Haftung verbessert werden. Zu den Vorteilen gehören unter anderem Verbesserungen an aktiven Aufhängungssystemen und eine Reduzierung der Fahrhärte.

Claims

Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) zur Verwendung mit einem Fahrzeug (10) mit einem Lenker (22), der mit einem Laufrad (12) und einer Fahrzeugkarosserie (16) verbunden ist und sich zwischen diesen erstreckt, das Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) umfassend: ein Stellglied (15) mit einer ersten und einer zweiten Stellgliedmasse (A_u, A_L), wobei das Stellglied (15) auf einer Achse (17) angeordnet ist, die sich zwischen dem Lenker (22) und der Fahrzeugkarosserie (16) erstreckt, und so konfiguriert ist, um eine Stellgliedkraft (F_A) als Reaktion auf ein Stellgliedsteuersignal (CCo) auszugeben, um dadurch die Stellgliedmassen (A_u, A_L) entlang der Achse (17) zu verlängern oder zu verkürzen; ein erstes und ein zweites nachgiebiges Element (19U, 19L) zur Bereitstellung eines vorbestimmten mechanischen Nachgiebigkeitsniveaus, wobei das erste nachgiebige Element (19U) entlang der Achse (17) zwischen die erste Stellgliedmasse (A_u) und die Fahrzeugkarosserie (16) verbunden ist, und das zweite nachgiebige Element (19L) entlang der Achse (17) zwischen die zweite Stellgliedmasse (A_L) und dem Lenker (22) verbunden; und eine Steuerung (50), die so konfiguriert ist, um das Stellgliedsteuersignal (CCo) als Reaktion auf eine Beschleunigung der Fahrzeugkarosserie (16) zu bestimmen und zu erzeugen, die für Straßenvibrationen repräsentativ ist, sodass die Stellgliedkraft (F_A) von den Straßenvibrationen in einem vorbestimmten Frequenzbereich entkoppelt ist.
Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Frequenzbereich etwa 9-13 Hertz beträgt.
Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) nach Anspruch 1, wobei die mechanische Nachgiebigkeit des ersten nachgiebigen Elementes (19U) kleiner ist als das mechanische Nachgiebigkeitsniveau des zweiten nachgiebigen Elementes (19L).
Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) nach Anspruch 1, wobei das nachgiebige Element (19U, 19L) eine Sprungfeder ist.
Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) nach Anspruch 1, wobei das Aufhängungsstellglied (15) eine motorisierte Schraubenanordnung ist.
Aufhängungskraft-Entkopplungssystem (14) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Feder (190), die mit der Fahrzeugkarosserie (16) und dem Lenker (22) verbunden ist und sich zwischen dieser auf einer Achse (17) erstreckt, die von der Achse (17) des Aufhängungskraft-Entkopplungssystems getrennt ist.