DE102017221850A1 - Method for changing the spring rate of an air spring for a vehicle wheel - Google Patents

Method for changing the spring rate of an air spring for a vehicle wheel Download PDF

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Veränderung einer Federrate einer Mehrkammerluftfeder eines Fahrzeugfahrwerks, wozu an eine Hauptluftkammer wahlweise wenigstens eine Zusatzluftkammer der Mehrkammerluftfeder ankoppelbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass, angesteuert durch ein Steuergerät, ein Elektromotor mit nachgeschaltetem selbsthemmendem Getriebe, ein in eine Verbindung zwischen der Hauptluftkammer und der Zusatzluftkammer eingebautes Kugelventil verstellt.An inventive method for changing a spring rate of a multi-chamber air spring of a vehicle chassis, to which a main air chamber optionally at least one additional air chamber of the multi-chamber air spring can be coupled, is characterized in that, driven by a control unit, an electric motor with a downstream self-locking gear, in a connection between the main air chamber and the additional air chamber installed ball valve adjusted.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung der Federrate einer Luftfeder an einem oberen Stützlager einer Fahrzeugradaufhängung, die ein Fahrzeugrad letztlich in einem Federbeindom des Fahrzeugs abstützt, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a method for changing the spring rate of an air spring on an upper support bearing of a vehicle suspension, which ultimately supports a vehicle wheel in a Federbeindom of the vehicle, according to the preamble of the first claim.

Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Luftfedersysteme bekannt. Darunter sind auch schaltbare Luftfederungen, mit welchen ein veränderbares Federverhalten darstellbar ist. Diese Luftfedern bestehen aus einem Luftbalg mit mehreren Luftvolumen, welche über Ventile miteinander verbunden werden können. Durch Öffnen oder Schließen wenigstens eines der Ventile wird das wirksame Luftvolumen variiert und somit die Federrate der Luftfeder verändert. Dies hat eine Verschiebung der Eigenfrequenz von gefederten und ungefederten Massen zur Folge.Various air spring systems are already known from the prior art. Including switchable air suspension, with which a variable spring behavior can be displayed. These air springs consist of a Luftbalg with several air volumes, which can be connected to each other via valves. By opening or closing at least one of the valves, the effective air volume is varied and thus changes the spring rate of the air spring. This results in a shift in the natural frequency of sprung and unsprung masses.

Die Steuerung des Luftvolumens erfolgt dabei über Magnetventile. Zur Vermeidung von Schaltgeräuschen ist jedoch ein kontrolliertes Abbremsen des Ventils vor Erreichung seiner Endposition notwendig. Wird diese Abbremsung elektrisch umgesetzt, führt dies zu einem hohen Regelungsaufwand und beim Einsatz eines Verfahrens mittels Pulsweitenmodulation können Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit auftreten. Weitere Nachteile ergeben sich durch den Aufbau der Ventile. Zum einen kann sich das Ventil nur in zwei verschiedenen Zuständen, offen bzw. geschlossen, befinden. Durch diese Funktionsweise eines Magnetventils ist eine dauerhafte Bestromung zum Halten einer der beiden Zustände notwendig. Falls über einen längeren Zeitraum eine von der Nennfederrate abweichende Federrate eingestellt werden soll, muss dafür dauerhaft eine Verbindung zwischen zwei Luftvolumen bestehen. Um dies zu ermöglichen, ist eine dauerhafte Bestromung der Ventile und somit ein Energiefluss über den kompletten Zeitraum notwendig. Dies ist ungünstig, da hierdurch die Leistungselektronik deutlich erwärmt wird. Sollte diese in zentralen Steuergeräten verbaut sein, kann das zu Problemen bei deren Kühlung führen. Mit steigender Anzahl der verwendeten Luftkammern steigt auch die Anzahl der benötigten Ventile, was die oben genannten Nachteile verstärkt.The control of the air volume takes place via solenoid valves. To avoid switching noises, however, a controlled braking of the valve is necessary before reaching its final position. If this deceleration is electrically implemented, this leads to a high control effort and when using a method by means of pulse width modulation problems with the electromagnetic compatibility can occur. Further disadvantages result from the construction of the valves. On the one hand, the valve can only be in two different states, open or closed. This mode of operation of a solenoid valve requires a permanent supply of current for holding one of the two states. If a spring rate different from the nominal spring rate is to be set over a longer period of time, there must be a permanent connection between two air volumes. To make this possible, a permanent energization of the valves and thus an energy flow over the entire period is necessary. This is unfavorable because it significantly heats the power electronics. If this is installed in central control units, this can lead to problems with their cooling. As the number of air chambers used increases, so does the number of valves required, which increases the above-mentioned disadvantages.

Die DE 103 36 342 A1 beschreibt einen Aufbau einer MehrkammerLuftfeder. Ziel dieses Systems ist es, eine Variation der Federrate zu ermöglichen. Dafür besteht das Federsystem nicht nur aus einer Hauptluftkammer, sondern zusätzlich aus mindestens einer Zusatz-Luftkammer. Vorteilhafterweise werden zwei Zusatz-Luftkammern verwendet, welche unterschiedliche Volumina haben. Zur Variation der Federrate werden Haupt- und Zusatzkammern über ein Leitungssystem verbunden. Um die Unterbringung dieses Systems zu vereinfachen, soll nur ein Ventil zur An-/Abkoppelung beider Zusatzvolumina an die Hauptkammer genutzt werden. Dafür wird bevorzugt ein elektrisch betätigtes Mehrwege-Schiebeventil oder ein Mehrwege-Drehventil verwendet. Um beim Schalten der Ventile keine schlagartigen Höhenstandsänderungen zu erzeugen, werden die Luftvolumen mit einem Kompressor- und Entlüftungssystem verbunden, welches einen einheitlichen Systemdruck erzeugt.The DE 103 36 342 A1 describes a construction of a multi-chamber air spring. The aim of this system is to allow a variation of the spring rate. For this, the spring system consists not only of a main air chamber, but in addition of at least one additional air chamber. Advantageously, two additional air chambers are used, which have different volumes. To vary the spring rate, main and auxiliary chambers are connected via a line system. To simplify the accommodation of this system, only one valve for coupling / uncoupling of both additional volumes to the main chamber should be used. For this purpose, an electrically operated multi-way slide valve or a multi-way rotary valve is preferably used. In order not to produce abrupt changes in altitude when switching the valves, the air volumes are connected to a compressor and vent system, which generates a uniform system pressure.

Aufbauend darauf beschreibt die DE 10 2007 050 187 A1 ein Mehrkammer-Gasfedersystem bestehend pro Rad aus einer Hauptkammer und mindestens einer Nebenkammer. Dabei besteht jeweils eine fluidische Verbindung zwischen den Nebenkammern und der Hauptkammer. Über Ventile können die Nebenkammern an die Hauptkammer an- bzw. abgekoppelt werden. Abhängig von dem dadurch entstehenden Gesamtvolumen wird die Achssteifigkeit angepasst. Die zum Steuern des Gesamtvolumens notwendigen Ventile, können sind als Schaltventile oder Proportionalventile umgesetzt. Vorteilhaft an Proportionalitätsventilen ist die Möglichkeit der kontinuierlichen Variation zwischen der offenen und geschlossenen Stellung. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt elektrisch durch Ansteuerung eines Elektromagneten.Building on that describes the DE 10 2007 050 187 A1 a multi-chamber gas spring system consisting per wheel of a main chamber and at least one secondary chamber. In each case there is a fluidic connection between the secondary chambers and the main chamber. Valves can be used to connect or disconnect the secondary chambers to the main chamber. Depending on the resulting total volume, the axle rigidity is adjusted. The necessary to control the total volume valves, can be implemented as switching valves or proportional valves. An advantage of proportional valves is the possibility of continuous variation between the open and closed positions. The control of the valves is carried out electrically by controlling an electromagnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Veränderung der Federrate einer Luftfeder für ein Fahrzeugrad bereitzustellen, welches ein veränderbares Federverhalten mit möglichst wenig Steueraufwand ermöglicht und bei dem eine dauerhafte Bestromung von Ventilen in bestimmten Steuerstellungen unterbleibt.Object of the present invention is to provide a method for changing the spring rate of an air spring for a vehicle, which allows a variable spring behavior with as little control effort and in which a permanent energization of valves in certain control positions is omitted.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale und Verfahrensschritte des ersten Anspruchs gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.The object is achieved by the features and method steps of the first claim. Further embodiments of the invention describe the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Veränderung einer Federrate einer Mehrkammerluftfeder eines Fahrzeugfahrwerks, wozu an eine Hauptluftkammer wahlweise wenigstens eine Zusatzluftkammer der Mehrkammerluftfeder ankoppelbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass, angesteuert durch ein Steuergerät, ein Elektromotor mit nachgeschaltetem selbsthemmendem Getriebe, ein in eine Verbindung zwischen der Hauptluftkammer und der Zusatzluftkammer eingebautes Kugelventil verstellt.The inventive method for changing a spring rate of a multi-chamber air spring of a vehicle chassis, to which a main air chamber optionally at least one additional air chamber of the multi-chamber air spring can be coupled, is characterized in that, driven by a control unit, an electric motor with a downstream self-locking gear, in a connection between the main air chamber and the additional air chamber installed ball valve adjusted.

Erfindungsgemäß wird also bei einer Mehrkammer-Luftfederung vorgeschlagen, Kugelventile zur Trennung der Luftvolumina zu verwenden, die mittels eines Elektromotors mit selbsthemmendem Getriebe verstellt werden. Der Elektromotor liefert dabei das nötige Verstellmoment, wohingegen das selbsthemmende Getriebe eine Verdrehung des Ventils im unbestromten Zustand verhindert. Bei einer solchen Verstellung ist eine Bestromung des Ventils nur beim Schaltvorgang notwendig und nicht für ein Halten des Ventils in einer Position. Der Aufbau und die Steuerung eines Kugelventils ermöglicht neben den Ventilstellungen offen bzw. geschlossen auch noch die Einstellung von weiteren Verbindungsquerschnitten dazwischen. Damit ist auch eine einstellbare, geringe Leckage umsetzbar, welche einen sehr langsamen Druckausgleich zwischen den Luftvolumen ermöglicht. Dieser Druckausgleich verhindert vorteilhafterweise eine sprunghafte Veränderung in Hochrichtung beim Schalten des Ventils. Zusätzlich ermöglicht ein Kugelventil, auch mehrere Volumen über ein Ventil zu schalten.According to the invention, it is therefore proposed in a multi-chamber air suspension to use ball valves to separate the air volumes, which are adjusted by means of an electric motor with self-locking gear. The electric motor provides the necessary adjusting torque, whereas the self-locking gear rotation of the Valve prevented in the de-energized state. With such an adjustment, energization of the valve is only necessary during the switching process and not for holding the valve in one position. The construction and control of a ball valve allows not only the valve positions open or closed but also the setting of further connection cross sections in between. This also an adjustable, low leakage can be implemented, which allows a very slow pressure equalization between the air volume. This pressure compensation advantageously prevents a sudden change in the vertical direction when switching the valve. In addition, a ball valve allows you to switch several volumes via one valve.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät am Kugelventil angebracht ist, insbesondere, dass das Steuergerät und der Elektromotor und das Getriebe eine Aktuator-Baugruppe bilden. Dies ist raumsparend vorteilhaft für das Fahrzeugpackage.A preferred embodiment of the method is characterized in that the control unit is mounted on the ball valve, in particular that the control unit and the electric motor and the transmission form an actuator assembly. This is space-saving advantageous for the vehicle package.

Da die Position des Kugelventils gemessen und geregelt werden muss, wird das Steuergerät für das Kugelventil direkt an diesem angebracht, wofür es vorteilhaft ist, die Ansteuerung direkt über einen so genannten private-CAN-Bus durchzuführen und das Steuergerät als einen so genannten Smart Aktuator, also als Aktuator-Baugruppe auszuführen. Dies bedeutet, dass ein zentrales Mastersteuergerät die jeweils optimalen Positionen für die einzelnen Kugelventile ermittelt und diese Sollpositionen über jeweils einen private-CAN-Bus an die jeweiligen Smart Aktuatoren kommuniziert. Diese führen die Stellanforderungen aus und melden danach jeweils die IstPosition ihres Kugelventils zurück an das Mastersteuergerät. Zusätzlich zu der private-CAN-Bus-Verbindung benötigen die Smart Aktuatoren dann nur eine Stromversorgung. Diese Art der Energieversorgung reduziert den Weg des elektrischen Stroms durch das Fahrzeug, was zu einer reduzierten Belastung im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit beiträgt.Since the position of the ball valve must be measured and regulated, the control unit for the ball valve is attached directly to this, for which it is advantageous to perform the control directly via a so-called private CAN bus and the control unit as a so-called smart actuator, So to run as an actuator assembly. This means that a central master control unit determines the optimum positions for the individual ball valves and communicates these set positions via a private CAN bus to the respective smart actuators. These execute the setting requests and then report the actual position of their ball valve back to the master control unit. In addition to the private CAN bus connection, the Smart Actuators will only need one power supply. This type of power supply reduces the path of the electrical current through the vehicle, which contributes to a reduced load in the field of electromagnetic compatibility.

Daher ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfinderischen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Zusatzluftkammer über ein weiteres Kugelventil mit der Hauptluftkammer verbindbar ist, indem ein zentrales Hauptsteuergerät eine Position für jedes Kugelventil ermittelt und diese jeweilige Sollposition über jeweils eine direkte Steuerleitung vom Hauptsteuergerät zu jeder Aktuator-Baugruppe kommuniziert, worauf jeweils letztere das zugehörige Kugelventil verstellt und dessen neue Position dem Hauptsteuergerät meldet. Zusätzlich sind die direkten Steuerleitungen bevorzugt als CAN-Bus ausgeführt.Therefore, a further preferred embodiment of the inventive method is characterized in that at least one additional additional air chamber via another ball valve with the main air chamber is connectable by a central main control unit determines a position for each ball valve and this respective desired position via a direct control line from the main control unit to each Actuator module communicates, whereupon the latter each adjusts the associated ball valve and reports its new position to the main control unit. In addition, the direct control lines are preferably designed as a CAN bus.

Insgesamt gesehen ergeben sich die durch das Verfahren entstehenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik daraus, dass ein Halten einer definierten Ventilposition keine Energie benötigt, eine kontinuierliche Verstellung des Ventilquerschnittes möglich ist, eine einstellbare Leckage Höhenstandsänderungen der Luftfeder bei Ventilschaltung verhindert, eine Schaltung mehrerer Luftvolumina über ein Kugelventil möglich ist und eine reduzierte Belastung im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit eintritt, wobei die Ausführung als Smart Aktuator mit Ansteuerung über einen private-CAN Bus die Fahrzeugarchitektur zusätzlich verbessern kann.Overall, the resulting advantages of the method over the prior art from the fact that holding a defined valve position requires no energy, a continuous adjustment of the valve cross-section is possible, adjustable leakage height changes of the air spring prevents valve switching, a circuit multiple air volumes over a ball valve is possible and a reduced load in the field of electromagnetic compatibility occurs, the design as a smart actuator with control via a private CAN bus can additionally improve the vehicle architecture.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10336342 A1 [0004]DE 10336342 A1 [0004]
  • DE 102007050187 A1 [0005]DE 102007050187 A1 [0005]

Claims (5)

Verfahren zur Veränderung einer Federrate einer Mehrkammerluftfeder eines Fahrzeugfahrwerks, wozu an eine Hauptluftkammer wahlweise wenigstens eine Zusatzluftkammer der Mehrkammerluftfeder ankoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dazu, angesteuert durch ein Steuergerät, ein Elektromotor mit nachgeschaltetem selbsthemmendem Getriebe, ein in eine Verbindung zwischen der Hauptluftkammer und der Zusatzluftkammer eingebautes Kugelventil verstellt.A method for changing a spring rate of a multi-chamber air spring of a vehicle chassis, to which a main air chamber optionally at least one additional air chamber of the multi-chamber air spring can be coupled, characterized in that, driven by a control unit, an electric motor with a downstream self-locking gear, in a connection between the main air chamber and the Additional air chamber installed ball valve adjusted. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät am Kugelventil angebracht ist.Method according to Claim 1 , characterized in that the control unit is mounted on the ball valve. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät und der Elektromotor und das Getriebe eine Aktuator-Baugruppe bilden.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the control unit and the electric motor and the transmission form an actuator assembly. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere Zusatzluftkammer über ein weiteres Kugelventil mit der Hauptluftkammer verbindbar ist, indem ein zentrales Hauptsteuergerät eine Position für jedes Kugelventil ermittelt und diese jeweilige Sollposition über jeweils eine direkte Steuerleitung vom Hauptsteuergerät zu jeder Aktuator-Baugruppe kommuniziert, worauf letztere ihr zugehöriges Kugelventil verstellt und dessen neue Position dem Hauptsteuergerät meldet.Method according to Claim 3 , characterized in that at least one additional additional air chamber via a further ball valve with the main air chamber is connected by a central main control unit determines a position for each ball valve and communicates this respective desired position via a direct control line from the main control unit to each actuator assembly, whereupon the latter adjusted ball valve and its new position reports to the main control unit. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die direkten Steuerleitungen als CAN-Bus ausgeführt sind.Method according to Claim 4 , characterized in that the direct control lines are designed as a CAN bus.
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