DE102018221158A1

DE102018221158A1 - Längenveränderbare Pendelstütze und Verfahren zur Steuerung eines Wankstabilisators

Info

Publication number: DE102018221158A1
Application number: DE102018221158.2A
Authority: DE
Inventors: Bernd Grannemann; Andreas Hartmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2038-12-07
Also published as: DE102018221158B4; WO2020114695A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenveränderbare Pendelstütze für einen Stabilisator, insbesondere einen Wankstabilisator eines Fahrzeugs mit einem Hydraulikzylinder, einem Kolben, der den Hydraulikzylinder in eine obere und eine untere Zylinderkammer teilt, einer Verbindungsleitung, die die obere und die untere Zylinderkammer miteinander verbindet, und einer Ventileinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Wankstabilisators eines Fahrzeugs, der eine längenveränderbare Pendelstütze aufweist. Um den Fahrkomfort auch bei auftretenden Wankkräften zu erhöhen, ohne hierbei die Fahrstabilität insbesondere in Kurvenfahrten zu verringern, wird zunächst vorgeschlagen, dass die Ventileinrichtung einen steuerbaren Öffnungsdruck aufweist und bei Überschreiten des Öffnungsdrucks in einer der Zylinderkammern die Durchflussrichtung zur jeweils anderen Zylinderkammer entlang der Verbindungsleitung so lange öffnet und ein Verschieben des Kolbens erlaubt, bis der Öffnungsdruck wieder unterschritten ist. Ferner wird vorgeschlagen, dass die auf dem Kolben des Hydraulikzylinders wirkende Wankkraft sensorgestützt ermittelt wird und der Öffnungsdruck der Ventileinrichtung in Abhängigkeit der ermittelten Wankkraft vorgegeben wird, so dass die Pendelstütze zur Stabilisierung des Wankverhaltens starr bleibt und erst ein den Öffnungsdruck übersteigender Druck die Ventileinrichtung für einen Volumenstrom von einer Zylinderkammer in die andere öffnet und ein Verschieben des Kolbens erlaubt, bis der Öffnungsdruck wieder unterschritten ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine längenveränderbare Pendelstütze für einen Stabilisator, insbesondere einen Wankstabilisator eines Fahrzeugs, mit einem Hydraulikzylinder, einem Kolben, der den Hydraulikzylinder in eine obere und eine untere Zylinderkammer teilt, einer Verbindungsleitung, die die obere und die untere Zylinderkammer miteinander verbindet, und einer Ventileinrichtung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Wankstabilisators eines Fahrzeugs, der eine längenveränderbare Pendelstütze der vorgenannten Art aufweist.
Die Radträger eines herkömmlichen Fahrzeugs sind üblicherweise über Aufbaufedern federnd am Fahrzeugaufbau befestigt. Sofern die Aufbaufedern dabei unabhängig voneinander an den Radträgern montiert sind, wird sowohl beim gleichsinnigen als auch beim wechselseitigen Einfedern bzw. Ausfedern der Räder Federarbeit an einer Achse verrichtet. Unebenheiten in der Fahrbahn, die einseitig oder beidseitig auftreten können, werden hierdurch nicht direkt auf den Fahrzeugaufbau übertragen, was den Fahrkomfort insbesondere auf unebenen Fahrbahnen erhöht.
In Kurven und insbesondere bei Ausweichmanövern wirken sich diese Aufbaufedern allerdings nachteilig aus, da sie durch am Fahrzeugaufbau angreifende Fliehkräfte zu einem erhöhten Wankwinkel führen, was die Fahrstabilität negativ beeinflusst. Zur Verringerung des Wankwinkels werden daher Stabilisatoren eingesetzt, die im Gegensatz zu den Aufbaufedern nur bei gegensinnigen Federbewegungen Federarbeit verrichten. In der Regel besitzen solche Wankstabilisatoren einen am Fahrzeugaufbau angelenkten Querstabilisator mit Hebeln, die über Pendelstützen an einem federnd gelagerten Radträgerteil befestigt sind. Hierdurch sind die Aufbaufedern einer Fahrzeugachse miteinander gekoppelt und eine unabhängige Federbewegung ist eingeschränkt. In Kurvenfahrten führt diese Kopplung zu einer deutlichen Reduzierung des Wankwinkels, was die Fahrstabilität und mithin die Sicherheit insbesondere bei Ausweichmanövern erhöht. Durch die Kopplung der Aufbaufedern werden allerdings auch wechselseitige Anregungen von der Fahrbahn auf den Fahrzeugaufbau übertragen, was sich negativ auf den Fahrkomfort auswirkt. Bei passiven Systemen muss daher ein Kompromiss zwischen hoher Fahrstabilität einerseits und hohem Fahrkomfort andererseits abgewogen und entsprechend eingestellt werden.
Um diesen Kompromiss zu entschärfen, wird in DE 10 2004 025 806 B4 eine Stabilisationsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einer längenveränderbaren Pendelstütze der eingangs beschriebenen Art offenbart, die einen Hydraulikzylinder mit zwei Zylinderkammern besitzt. Über eine Verbindungsleitung und eine Ventileinrichtung kann gesteuert werden, ob der Kolben der Pendelstütze frei beweglich ist und mithin keine Kräfte von einer Fahrzeugseite auf die andere zur Verringerung der Wankneigung übertragen werden, oder ob eine Kolbenbewegung blockiert wird, so dass die Stabilisierungskraft übertragen wird. Hierdurch können die Aufbaufedern in Kurvenfahrten zur Verringerung des Wankverhaltens gekoppelt werden und in Gradeausfahrten, bei denen in der Regel keine nennenswerten Wankkräfte entstehen, zur Erhöhung des Fahrkomforts entkoppelt werden.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Fahrkomfort auch bei auftretenden Wankkräften zu erhöhen, ohne hierbei die Fahrstabilität insbesondere in Kurvenfahrten zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch die längenveränderbare Pendelstütze nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung einen steuerbaren Öffnungsdruck aufweist und bei Überschreiten des Öffnungsdrucks in einer der Zylinderkammern die Durchflussrichtung zur jeweils anderen Zylinderkammer entlang der Verbindungsleitung so lange öffnet und ein Verschieben des Kolbens erlaubt, bis der Öffnungsdruck wieder unterschritten ist.
Ferner wird die Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Erfindungsgemäß ist hiernach vorgesehen, dass die auf den Kolben des Hydraulikzylinders wirkende Wankkraft sensorgestützt ermittelt wird und der Öffnungsdruck der Ventileinrichtung in Abhängigkeit der ermittelten Wankkraft und/oder einer aktuellen Wankwinkelgeschwindigkeit vorgegeben wird, so dass die Pendelstütze zur Stabilisierung des Wankverhaltens starr bleibt und erst ein den Öffnungsdruck übersteigender Druck die Ventileinrichtung für einen Volumenstrom von einer Zylinderkammer in die andere öffnet und ein Verschieben des Kolbens erlaubt, bis der Öffnungsdruck wieder unterschritten ist. Zur sensorgestützten Ermittlung der auf den Kolben wirkenden Wankkraft wird vorzugsweise zumindest die Fahrgeschwindigkeit, der Lenkwinkel, die Querbeschleunigung und/oder eine Wankwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt. Aus diesen Parametern lässt sich bei bekannter Kolbenfläche die Wankkraft abschätzen und der Öffnungsdruck entsprechend vorgeben.
Sofern keine Wankkräfte auftreten, wie beispielsweise in Geradeausfahrten, wird der steuerbare Öffnungsdruck der Ventileinrichtung relativ gering eingestellt, so dass die Ventileinrichtung einen Volumenstrom zwischen den Zylinderkammern erlaubt und die Aufbaufedern unabhängig voneinander Fahrbahnunebenheiten folgen können. Sinnvollerweise ist der hydraulische Querschnitt der Ventileinrichtung dabei so bemessen, dass auch eine als maximal definierte Straßenunebenheit, die einen Volumenstrom zwischen den Zylinderkammern bewirkt, nur einen geringen Druckanstieg erzeugt und somit auch die auf den Fahrzeugaufbau wirkende Kraft möglichst gering ist.
Demgegenüber wird insbesondere bei einer Kurvenfahrt aus geeigneten Sensorgrößen die auf den Kolben wirkende Wankkraft berechnet und der Öffnungsdruck der Ventileinrichtung so erhöht, dass ein Volumenstrom zwischen den Zylinderkammern blockiert ist, solange der auf den Kolben wirkende Druck nicht den wankkraftbedingten Druck überschreitet. In dieser Ventileinstellung ist die Pendelstütze starr und koppelt die links- und rechtsseitigen Aufbaufedern einer Achse, was die Wankneigung verringert. Führt eine Unebenheit auf der Fahrbahn jedoch während der Kurvenfahrt zu einer weiteren Erhöhung des Drucks und zu einer Überschreitung des eingestellten Öffnungsdrucks, öffnet die Ventileinrichtung die Verbindungsleitung und die betroffene Aufbaufeder kann ungekoppelt die kurzzeitig auftretende Unebenheit folgen.
Durch die vorliegende Erfindung wird semi-aktiv nicht nur der Fahrkomfort bei Gradeausfahrten durch das Entkoppeln der Stabilisatoren verbessert, sondern durch eine entsprechende Ansteuerung von hydraulischen Ventilen wird auch auf die Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus positiv Einfluss genommen. Insbesondere wird bei Kurvenfahrten ein zur Wankstabilisierung anliegendes Wankmoment so begrenzt, dass rein passiv eine Wankmomenterhöhung verhindert wird, die von einer Straßenanregung höherer Frequenz als die Grenzfrequenz der semi-aktiven Aktorik hervorgerufen wird. Somit wird auch bei Kurvenfahrten mit störenden Straßenanregungen der Fahrkomfort merklich erhöht. Hiernach ist es vorteilhaft, dass Anregungen im Aufbauwankfrequenzbereich semiaktiv durch die elektrische Ansteuerung der Ventileinrichtung beeinflusst werden können, während das System auf Anregungen im Radfrequenzbereich ausschließlich passiv reagiert, ohne dass die Aktorik in diesem Frequenzbereich aktiv reagieren muss. Nicht zuletzt werden dadurch Kosten reduziert und Bauraum und Komplexität des Systems verringert.
Schließlich hat es sich als sinnvoll erwiesen, eine Pendelstütze der erfindungsgemäßen Art an beiden Achsen (Vorder- und Hinterachse) anzuordnen. So kann nicht nur der Fahrkomfort weiter erhöht werden, sondern es kann auch auf die Wankmomentverteilung und damit auf das fahrdynamische Verhalten Einfluss genommen werden, insbesondere auf das Gierverhalten des Fahrzeugs. Weiterhin kann der bzw. können die Querstabilisatoren vergleichsweise steifer ausgebildet werden, da der Kompromiss zwischen Wankabstützung und Fahrkomfort größtenteils aufgelöst ist. Durch eine größere Stabilisatorsteifigkeit kann der Wankwinkel noch weiter verringert, die Spreizung der Wankmomentverteilung vergrößert und das Potenzial der Stabilisatorkräfte definiert genutzt werden, um beispielsweise die Wankgeschwindigkeit zu verringern.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend und in den Unteransprüchen angegeben.
Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung zwei parallel geschaltete Druckbegrenzungsventile aufweist, die jeweils einen steuerbaren Öffnungsdruck besitzen und deren Durchflussrichtungen entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Hierzu kann die Verbindungsleitung eine Verzweigung mit zwei parallelen Leitungsabschnitten aufweisen, in denen jeweils eines der Druckbegrenzungsventile angeordnet ist. Alternativ können unterschiedliche Verbindungsleitungen mit den Zylinderkammern verbunden sein.
Als Druckbegrenzungsventile können alle Druckbegrenzungsventile mit einem steuerbaren Öffnungsdruck eingesetzt werden, insbesondere proportional gesteuerte Druckbegrenzungsventile. Hierbei sind Sitzventile bevorzugt, insbesondere solche, die mit einem Vorsteuersitzventil vorgesteuert sind. Derartige Druckbegrenzungsventile können wirksam einen Leckagefluss im geschlossenen Zustand unterbinden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die längenveränderbare Pendelstütze einen hydraulischen Speicher, der mit einer Ventilanordnung so mit den Zylinderkammern verbunden ist, dass eine Zylinderkammer mit einem vergleichsweise niedrigeren Druck entweder auf dem Druckniveau des Speichers liegt oder auf einem geringeren Öffnungsdruck darüber, insbesondere um einen geringeren Öffnungsdruck von Rückschlagventilen darüber. Als Ventilanordnung haben sich in der Praxis insbesondere ein Zweidruckventil oder zwei entsperrbare Rückschlagventile als bevorzugt erwiesen.
Konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert, die jeweils längenveränderbare Pendelstützen mit einer Ventileinrichtung zeigen.
1 zeigt eine längenveränderbare Pendelstütze 1 mit einem Hydraulikzylinder 2, einem Kolben 3 und einer Kolbenstange 4. Die Kolbenstange 4 ist beidseitig am Kolben 3 befestigt, so dass der Hydraulikzylinder 2 als Gleichgangzylinder ausgebildet ist. Der Hydraulikzylinder 2 besitzt einen oberen Ankopplungspunkt 5 zur Befestigung an einem federnd gelagerten Radträgerteil (nicht dargestellt) und die Kolbenstange 4 besitzt eine unteren Anlenkungspunkt 5' zur Verbindung mit dem Hebel eines (nicht gezeigten) Querstabilisators. Der Kolben 3 trennt den Hydraulikzylinder 2 in eine obere Zylinderkammer 6 und eine untere Zylinderkammer 7. Beide Zylinderkammern 6, 7 sind über eine hydraulische Verbindungsleitung 8 miteinander verbunden, die nach einer Verzweigung zwei parallel geschaltete Druckbegrenzungsventile 9, 9' aufweist, wobei die Durchflussrichtungen jeweils entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Die Druckbegrenzungsventile 9, 9' besitzen jeweils eine auf eine Steuerfläche wirkende Steuerleitung 10, 10' und eine entgegengesetzt wirkende elektrisch steuerbare Federbetätigung 11, 11' zur Einstellung des Öffnungsdrucks. Auf der Federseite ist darüber hinaus eine elektrische Betätigung 14, 14' mit einer magnetischen Spule angeordnet, die im bestromten Zustand auf die Federbetätigung 11, 11' wirkt und den Öffnungsdruck entsprechend erhöht. Durch die an der magnetischen Spule anliegende Spannung kann der Öffnungsdruck beider Druckregelventile 9, 9' gesteuert werden. Im stromlosen Zustand der magnetischen Spule wird demgegenüber keine zusätzliche Kraft auf die Federbetätigungen 11, 11' ausgeübt.
In 1 sind beide Druckventile 9, 9' in der Sperrstellung gezeigt und Hydraulikflüssigkeit kann daher nicht von der oberen Zylinderkammer 6 zur unteren Zylinderkammer 7 fließen und umgekehrt. Sofern der Kolben 3 jedoch durch eine Bodenunebenheit beispielsweise nach unten (Pfeilrichtung 13) gedrückt wird, liegt an der Steuerleitung 10' ein Druck an, der den gering eingestellten Öffnungsdruck des Druckventils 9' überschreitet, so dass die Verbindungsleitung 8 geöffnet wird und der Kolben 3 so weit verschiebbar ist, bis ein Druckausgleich eingestellt ist und der Öffnungsdruck wieder unterschritten ist. Bei abwesenden Wankkräften übt der Hydraulikzylinder 2 und mithin die Pendelstütze 1 daher keinen nennenswerten Einfluss auf die Aufbaufedern des Fahrzeugs aus.
Zur Bestimmung der Wankkraft ist eine Auswerte- und Steuereinheit 12 vorgesehen, die sensorgestützt und unter Berücksichtigung der Kolbenfläche die dort angreifenden Wankkräfte bestimmt. Als Eingangsdaten zur Bestimmung der Wankkraft werden insbesondere die Fahrgeschwindigkeit, der Lenkwinkel und/oder die Querbeschleunigung berücksichtigt. Aus der auf den Kolben 3 wirkenden Wankkraft wird der erhöhte Öffnungsdruck der Druckbegrenzungsventile 9, 9' berechnet, der so bemessen ist, dass die Druckbegrenzungsventile 9, 9' in der Sperrstellung verharren, solange der wankkraftbedingte Druck innerhalb der Verbindungsleitung 8 nicht überschritten wird. In diesem Fall ist ein Volumenaustausch zwischen den Zylinderkammern 6 und 7 blockiert und die (starre) Pendelstützte koppelt die Aufbaufedern und verringert den Wankwinkel. Wird auf den Kolben 3 während einer Kurvenfahrt und mithin bei vorhandenen Wankkräften aufgrund einer Fahrbahnunebenheit eine zusätzliche Kraft ausgeübt, übersteigt der Druck in der Verbindungsleitung 8 den Öffnungsdruck und eines der Druckbegrenzungsventile 9, 9' öffnet sich so lange, bis der Öffnungsdruck wieder unterschritten ist. Hierdurch können nicht nur bei Geradeausfahrten, sondern auch bei Kurvenfahrten und vorhandenen Wankkräften Fahrbahnunebenheiten abgedämpft werden, ohne die Stabilisierung des Wankverhaltens maßgeblich zu beeinträchtigen.
Im vollständig stromlosen Zustand der Druckbegrenzungsventile 9, 9', bei dem sowohl die Federbetätigung 11, 11' als auch die elektrische Betätigung 14, 14' stromlos sind, bleiben die Druckbegrenzungsventile 9, 9' geschlossen, um im Fehlerfall zugunsten der Fahrstabilität den hydraulischen Fluss zwischen den Zylinderkammern 6, 7 zu blockieren und etwaiges Wankverhalten zu verringern.
Das hydraulische System besitzt neben den Druckbegrenzungsventilen 9, 9' einen hydraulischen Speicher 15, der über eine Ventilanordnung 16 derart mit den Zylinderkammern 6, 7 verbunden ist, dass eine Zylinderkammer 6, 7 mit einem vergleichsweise niedrigeren Druck entweder auf dem Druckniveau des Speichers 15 liegt oder um den geringeren Öffnungsdruck der Rückschlagventile 17, 17' darüber. Hierdurch wird im geschlossenen System ein Minimaldruck aufrechterhalten, um z.B. Kavitation (Hohlraumbildung) zu minimieren, hydraulische Kapazitäten zu verringern und/oder eine temperaturbedingte Volumenvergrößerung der Hydraulikflüssigkeit auszugleichen. Gleichzeitig wird durch die Ventilanordnung 16 verhindert, dass in beiden Zylinderkammern 6,7 zeitgleich ein Überdruck entsteht, der den Druck im Speicher 15 übersteigt. In 1 ist hierzu eine Ventilanordnung 16 mit zwei entsperrbaren Rückschlagventilen 17, 17' dargestellt, wobei das der unteren Zylinderkammer 7 zugeordnete Rückschlagventil 17 über eine Steuerleitung 18 mit der oberen Zylinderkammer 6 verbunden ist und das der oberen Zylinderkammer 6 zugeordnete Rückschlagventil 17' über eine Steuerleitung 18' mit der unteren Zylinderkammer 7 verbunden ist. 2 zeigt demgegenüber eine gleichwirkende Ventilanordnung 16 mit einem Zweidruckventil 19.
Bezugszeichenliste

1: Pendelstütze
2: Hydraulikzylinder
3: Kolben
4: Kolbenstange
5: oberer Ankoppelpunkt
5': unterer Ankoppelpunkt
6: obere Zylinderkammer
7: untere Zylinderkammer
8: Verbindungsleitung
9, 9': Druckbegrenzungsventil
10, 10': Steuerleitung
11, 11 `: Federbetätigung
12: Steuereinheit
13: Pfeilrichtung
14: elektrische Betätigung (mit magnetischer Spule)
15: hydraulischer Speicher
16: Ventilanordnung
17, 17': entsperrbares Rückschlagventil
18, 18': Steuerleitung
19: Zweidruckventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004025806 B4 [0005]

Claims

Längenveränderbare Pendelstütze für einen Stabilisator, insbesondere einen Wankstabilisator eines Fahrzeugs, mit - einem Hydraulikzylinder (2), - einem Kolben (3), der den Hydraulikzylinder (2) in eine obere und eine untere Zylinderkammer (6, 7) teilt, - einer Verbindungsleitung (8), die die obere und die untere Zylinderkammer (6, 7) miteinander verbindet, und - einer Ventileinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung einen steuerbaren Öffnungsdruck aufweist und bei Überschreiten des Öffnungsdrucks in einer der Zylinderkammern (6, 7) die Durchflussrichtung zur jeweils anderen Zylinderkammer (7, 6) entlang der Verbindungsleitung (8) so lange öffnet und ein Verschieben des Kolbens (3) erlaubt, bis der Öffnungsdruck wieder unterschritten ist.
Pendelstütze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung zwei parallel geschaltete Druckbegrenzungsventile (9, 9') aufweist, die jeweils einen steuerbaren Öffnungsdruck besitzen und deren Durchflussrichtungen entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind.
Pendelstütze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Druckbegrenzungsventile (9, 9') als Sitzventil ausgebildet ist, insbesondere als ein mit einem Vorsteuersitzventil vorgesteuertes Sitzventil.
Pendelstütze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen hydraulischen Speicher (15), der mit einer Ventilanordnung (16) so mit den Zylinderkammern (6, 7) verbunden ist, dass eine Zylinderkammer (6, 7) mit einem vergleichsweise niedrigeren Druck entweder auf dem Druckniveau des Speichers (15) liegt oder auf einem geringen Öffnungsdruck darüber.
Pendelstütze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (16) zur Einstellung des geringen Öffnungsdrucks ein Zweidruckventil (19) oder zwei entsperrbare Rückschlagventile (17, 17') besitzt.
Verfahren zur Steuerung eines Wankstabilisators eines Fahrzeugs, der eine längenveränderbare Pendelstütze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Kolben (3) des Hydraulikzylinders (2) wirkende Wankkraft sensorgestützt ermittelt wird und der Öffnungsdruck der Ventileinrichtung in Abhängigkeit der ermittelten Wankkraft vorgegeben wird, so dass die Pendelstütze (1) zur Stabilisierung des Wankverhaltens starr bleibt und erst ein den Öffnungsdruck übersteigender Druck die Ventileinrichtung für einen Volumenstrom von einer Zylinderkammer (6, 7) in die andere öffnet und ein Verschieben des Kolbens (3) erlaubt, bis der Öffnungsdruck wieder unterschritten ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur sensorgestützten Ermittlung der auf den Kolben (3) wirkenden Wankkraft die Fahrgeschwindigkeit, der Lenkwinkel, die Querbeschleunigung und/oder die Wankwinkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt wird.