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Die Erfindung betrifft ein Feder-Dämpfer-System für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs umfassend eine Tragfeder mit einer Federkonstante kT und einen zu der Tragfeder parallel wirkenden Dämpfer.
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In Motorrädern werden aktuell immer mehr anpassbare Fahrwerke verbaut, die sich von Hand, mit Werkzeug oder elektrisch auf Knopfdruck einstellen lassen. Einstellbar sind verschiedene Werte, wie z.B. Zug- und Druckstufe, die das Ein- und Ausfederverhalten des Fahrwerks beeinflussen, und die Vorspannung der Feder, welche sich auf die Fahrzeughöhe und damit Fahrgeometrie und Fahreigenschaften auswirkt.
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Einzig die Federrate der Feder ist nicht unmittelbar einstellbar, da eine Feder mit einer gewissen Federrate gefertigt und verbaut wird. Zum Ändern dieser Federrate muss die Federgabel oder das Federbein zerlegt und die Feder getauscht werden.
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Derzeit wird in einigen Motorrädern ein Fahrwerk mit einer dynamischen elektronischen Federung verbaut, welches mit Hilfe von Sensordaten das Fahrwerk an die Fahrweise des Fahrers anpasst. Beispielsweise ändert sich hierbei die Dämpfung je nach der Fahrzeuggeschwindigkeit. Für die Anpassung gibt es beispielsweise zwei Betriebsmodi. Das Problem ist jedoch, dass sich der Charakter des Fahrzeugs zwischen den beiden Betriebsmodi nur bedingt ändert, da nur Einfluss auf die Dämpfung des Fahrwerks besteht und nicht direkt auf die Schwingungscharakteristik, welche durch die Federsteifigkeiten beeinflusst ist. Um die Federrate zu ändern, muss aktuell noch die Feder im Fahrwerk ausgetauscht werden.
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Mit einer einzelnen Federrate muss jedoch immer ein Kompromiss zwischen Komfort und Sportlichkeit eingegangen werden, da die Federrate nicht für einen der beiden Zwecke allein ausgelegt werden kann, sondern beide Zwecke in Betracht gezogen werden müssen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Feder-Dämpfer-System für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, bei welchem die Gesamtfederrate regelbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Feder-Dämpfer-System für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines einspurigen Kraftfahrzeugs, umfassend eine Tragfeder mit einer Federkonstante kT und einen zu der Tragfeder parallel wirkenden Dämpfer vorgeschlagen. Dabei ist ein zu der Tragfeder in Reihe wirkendes Federelement angeordnet, welches mittels eines Steuergeräts derart regelbar ist, dass eine Gesamtfederkonstante kG des Feder-Dämpfer-Systems veränderbar ist.
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Grundgedanke der Erfindung ist, das Feder-Dämpfer-System für eine Radaufhängung mit intern liegender Tragfeder um ein in Reihe wirkendes regelbares Federelement zu erweitern, um zwischen der Tragfederrate und der zusammengesetzten Federrate aus Tragfeder und Federelement umschalten zu können. Auf diese Weise ergeben sich mit der eigentlichen Tragfeder des Fahrwerks mindestens zwei diskrete Federraten. Somit ergibt sich eine bessere Abstimmung des Fahrwerks durch die Möglichkeit für jeden Einsatzzweck eine Federhärte zu wählen und folglich ein besseres Fahrerlebnis durch eine optimierte Abstimmung des Fahrwerks.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Federelement eine Kartusche, eine Kolbenstange zur Kopplung an die Tragfeder und eine Federeinheit umfasst.
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Vorzugsweise ist das Feder-Dämpfer-System derart ausgebildet, dass sich die Kolbenstange in einen Kartuscheninnenraum der Kartusche hinein erstreckt und an einem in dem Kartuscheninnenraum angeordneten Ende der Kolbenstange ein Hauptkolben mit einem Bypass für eine Hydraulikflüssigkeit angeordnet ist. Ferner ist ein mittels des Steuergeräts regelbares Ventil zur Regelung des Bypasses vorgesehen. Dadurch ist das regelbare Federelement umgesetzt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Federeinheit eine Federkartusche auf, dessen Federkartuscheninnenraum unmittelbar oder mittelbar mit der Kartusche hydraulisch verbunden ist. Auf diese Weise wirken die Kräfte der Hydraulikflüssigkeit des Kartuscheninnenraums auch in dem Federkartuscheninnenraum.
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Ferner ist eine Ausführung günstig, bei welcher die Federeinheit eine Feder mit einer Federkonstante kF, einen Trennkolben und einen Trennkolbenanschlag umfasst. Dabei teilt der Trennkolben den Federkartuscheninnenraum in eine Federkammer und eine dritte Arbeitskammer. Die Feder ist in der Federkammer angeordnet und drückt den Trennkolben in der Federkartusche in Richtung des Trennkolbenanschlags. Dabei bildet der Trennkolbenanschlag einen Hubanschlag für den Trennkolben aus.
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In einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Hauptkolben den Kartuscheninnenraum in eine erste und eine zweite Arbeitskammer teilt, welche jeweils mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, und sich die Kolbenstange durch die erste Arbeitskammer erstreckt.
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Das erfindungsgemäße Feder-Dämpfer-System ist in einer Ausführungsvariante ausgebildet, dass die Federeinheit derart in die Kartusche integriert ist, dass der dritte Arbeitsraum und der zweite Arbeitsraum unmittelbar ineinander übergehen und diese einen gemeinsamen Arbeitsraum ausbilden. Auf diese Weise ist eine besonders bauraumsparende Variante umgesetzt, welche in eine übliche Radaufhängung integrierbar ist.
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In einer alternativen Ausführung des vorliegenden Feder-Dämpfer-Systems ist vorgesehen, dass der dritte Arbeitsraum und der zweite Arbeitsraum mittels einer hydraulischen Leitung miteinander verbunden sind. Dadurch ist ein externer Ausgleichs- bzw. Federbehälter umgesetzt, welcher für eine Verwendung in einem Stoßdämpfer für die Hinterradführung, oder zusätzlich zu einem Stoßdämpfer mit Dämpfung, bei dem sich die eigentliche Feder direkt um den Dämpfer befindet, geeignet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kartusche einen verschiebbaren Boden als Kolbenstangenführung, welcher in der Kartusche beweglich gelagert ist. An der Kartusche ist für den verschiebbaren Boden ein mechanischer Anschlag vorgesehen. Ferner bildet der verschiebbare Boden mit dem Hauptkolben die erste Arbeitskammer aus.
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In einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Feder eine Spiralfeder und/oder eine Stickstoff-Gasdruckfeder ist.
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Ferner ist eine Ausführung günstig, bei welcher das regelbare Ventil elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch regelbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass ein Eingabemittel zur Regelung des Federelements mit dem Steuergerät verbunden ist. Dadurch kann ein Fahrer des Kraftfahrzeugs einen Befehl zum Regeln des Feder-Dämpfer-Systems an das Steuergerät senden. Dabei kann vorteilhaft die Umschaltung bzw. Änderung der Federrate „on the fly“ per Knopfdruck erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Feder-Dämpfer-System ist in einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, dass ein Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur der Hydraulikflüssigkeit vorgesehen ist. Ferner sind in dem Steuergerät Daten zur Hydraulikflüssigkeits-temperaturabhängigen Regelung des Ventils hinterlegt. Der Temperatursensor ist dabei beispielsweise in der Kartusche oder dem verschiebbaren Boden der Kartusche angeordnet.
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In einer alternativen Ausführung umfasst das Ventil eine Spule mit einem Innenwiderstand und in dem Steuergerät sind weitere Daten zur Hydraulikflüssigkeits-temperaturabhängigen Regelung des Ventils hinterlegt. Dabei ist das Ventil im Kartuscheninnenraum angeordnet. Die weiteren Daten sind dabei beispielsweise ein Temperaturmodell für den Innenwiderstand der Spule, anhand welchem die Hydraulikflüssigkeitstemperatur ermittelbar ist. Als Ventil ist immer das Stellventil gedacht, welches die Umschaltung zwischen den Federraten, also die Trennung des zweiten Arbeitsraums oberhalb des Kolbens vom ersten Arbeitsraum, ermöglicht. Die Magnetspule des Ventils kann innerhalb oder außerhalb der Kartusche liegen, das Ventil selbst muss aber im oder sehr nahe am Hauptkolben positioniert sein. Allerdings muss die Magnetspule innerhalb der Kartusche angeordnet sein, wenn es zur Temperaturabschätzung beitragen soll, da sonst zu viele Temperaturwiderstände bis zum Öl der Kartusche das Ergebnis verfälschen.
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Dementsprechend umfasst das Feder-Dämpfer-System eine Federkartusche mit einem Bypass-Ventil, welches elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch geöffnet oder geschlossen werden kann, um eine variable Federrate zu erreichen. Dadurch ergeben sich drei Betriebsmöglichkeiten. Die erste Betriebsmöglichkeit ist der Zustand, in welchem der Bypass geöffnet ist. Wenn sich dabei der Dämpferkolben im Gehäuse auf und ab bewegt, kann das Hydrauliköl den Kolben durchströmen und lediglich das Kolbenstangenvolumen wird über den Trennkolben in das Ausgleichsvolumen übertragen. Die Zusatzfeder wird hierbei mit einer vorbestimmten Übersetzung im Verhältnis zum Kolbenstangenhub bewegt. Die Übersetzung ist durch die hydraulischen Flächen zwischen Trennkolben und Kolbenstange gegeben. Das bedeutet, die Kraft der Zusatzfeder wirkt nur gering auf die Kolbenstange. Dieser Zustand entspricht einem Komfort-Modus und/oder einem Modus für geringe Beladungszustände.
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In der zweiten Betriebsmöglichkeit ist der Bypass geschlossen. Wenn der Bypass geschlossen ist, kann sich der Hauptkolben nicht mehr frei im Gehäuse auf und ab bewegen. Beim Einfedern des Fahrwerks wird das Volumen der Hydraulikflüssigkeit oberhalb des Kolbens komplett in den Federkartuscheninnenraum verschoben. Durch die geringe Kompressibilität des Öls wirkt die Kraft des Federelements auf die Kolbenstange. Die Federkraft der Feder wirkt, wenn der Hauptkolbendurchmesser gleich dem Trennkolbendurchmesser ist, somit im Verhältnis 1:1 auf die Kolbenstange. Ebenso kann auch hier eine Über- oder Untersetzung erzeugt werden, in Abhängigkeit der hydraulischen Flächen von Hauptkolben zu Trennkolben. Außerdem kann sich das Hydraulikflüssigkeits-Volumen unterhalb der Hydraulikflüssigkeit bei geschlossenem Bypass nicht mehr ausgleichen. Deshalb wird ein verschiebbarer Boden genutzt, der sich mit dem Kolben nach oben bewegt, um keinen Unterdruck zu erzeugen. Dieser Zustand entspricht einem Sport-Modus und/oder einem Modus für hohe Beladungszustände.
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Die dritte Betriebsmöglichkeit ist der Zustand zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand. Durch nur teilweises Öffnen oder Schließen des Bypasses lässt sich ein Zwischenzustand erreichen, in dem eine Federrate zwischen den Zuständen 1 und 2 erreicht wird. Durch z.B. leichtes Öffnen kann ein kleiner Teil der Hydraulikflüssigkeit durch den Kolben strömen und die Federrate wird damit von der maximal erzeugbaren Federrate etwas reduziert. Die somit frei wählbare Zwischen-Federrate lässt sich allerdings nur begrenzt sicherstellen, da sie von der Dichte und Viskosität der Hydraulikflüssigkeit beim Durchströmen der Ventilblende abhängt.
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Die resultierende Gesamtfederrate des Dämpfers in Zustand 1, 2 oder 3, ist jeweils die Federrate der Tragfeder addiert mit dem jeweils wirkenden Anteil der Zusatzfeder. So lässt sich das Fahrwerk optimal auf eine weiche Federrate im Komfortmodus auslegen und bei Bedarf kann eine härtere Feder „zugeschaltet“ werden, um ein optimales Fahrgefühl im Sportmodus zu erreichen.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 ein Feder-Dämpfer-System für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs;
- 2 ein alternatives Feder-Dämpfer-System für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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In 1 ist ein Feder-Dämpfer-System 10 für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs umfassend eine Tragfeder 20 (nicht gezeigt) mit einer Federkonstante kT und einen zu der Tragfeder 20 parallel wirkenden Dämpfer 30 (nicht gezeigt) dargestellt. Dabei ist ein zu der Tragfeder 20 in Reihe wirkendes Federelement 1 angeordnet, welches mittels eines Steuergeräts 12 derart regelbar ist, dass eine Gesamtfederkonstante kG des Feder-Dämpfer-Systems 10 veränderbar ist.
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Das Federelement 1 umfasst eine Kartusche 2, eine Kolbenstange 3 zur Kopplung an die Tragfeder 20 und eine Federeinheit 4. Die Kolbenstange 3 erstreckt sich in einen Kartuscheninnenraum 21 der Kartusche 2 hinein und an einem in dem Kartuscheninnenraum 21 angeordneten Ende der Kolbenstange 3 ist ein Hauptkolben 5 mit einem Bypass 6 für eine Hydraulikflüssigkeit 9 angeordnet. Außerdem ist ein mittels des Steuergeräts 12 regelbares Ventil 11 zur Regelung des Bypasses 6 vorgesehen. Das regelbare Ventil 11 ist elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch regelbar.
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Darüber hinaus weist die Federeinheit 4 eine Federkartusche 41 auf, dessen Federkartuscheninnenraum 42 unmittelbar mit der Kartusche 2 hydraulisch verbunden ist, eine Feder 43 mit einer Federkonstante kF, einen Trennkolben 44 und einen Trennkolbenanschlag 45 auf. Dabei teilt der Trennkolben 44 den Federkartuscheninnenraum 42 in eine Federkammer 46 und eine dritte Arbeitskammer 81. Des Weiteren ist die Feder 43 in der Federkammer 46 angeordnet und drückt den Trennkolben 44 in der Federkartusche 41 in Richtung des Trennkolbenanschlags 45. Die Feder 43 ist eine Spiralfeder und/oder eine Stickstoff-Gasdruckfeder.
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Ferner teilt der Hauptkolben 5 den Kartuscheninnenraum 21 in eine erste und eine zweite Arbeitskammer 7, 8, welche jeweils mit der Hydraulikflüssigkeit 9 gefüllt ist, und die Kolbenstange 3 erstreckt sich durch die erste Arbeitskammer 7. Die Federeinheit 4 ist derart in die Kartusche 2 integriert, dass der dritte Arbeitsraum 81 und der zweite Arbeitsraum 8 unmittelbar ineinander übergehen und diese einen gemeinsamen Arbeitsraum ausbilden.
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Außerdem umfasst die Kartusche 2 einen verschiebbaren Boden 22, welcher in der Kartusche 2 beweglich gelagert ist. Der verschiebbare Boden 22 bildet mit dem Hauptkolben 5 die erste Arbeitskammer 7 aus. Zudem ist ein Eingabemittel 15 vorgesehen, welches zur Regelung des Federelements 1 mittels des Steuergeräts 12 verbunden ist.
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Zusätzlich ist ein Temperatursensor 14 zur Ermittlung der Temperatur der Hydraulikflüssigkeit vorgesehen und in dem Steuergerät 12 sind Daten 16 zur Hydraulikflüssigkeits-temperaturabhängigen Regelung des Ventils 11 hinterlegt.
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2 zeigt ein alternatives Feder-Dämpfer-System 10 für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs. Nachdem die Merkmale dieses Feder-Dämpfer-Systems 10 im Wesentlichen mit den Merkmalen der in 1 dargestellten Ausführung übereinstimmen, wird im Folgenden lediglich auf unterschiedliche Merkmale eingegangen.
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Das Feder-Dämpfer-System 10 umfasst eine Federeinheit 4 mit einer Federkartusche 41, dessen Federkartuscheninnenraum 42 mittelbar mit der Kartusche 2 hydraulisch verbunden ist. Dabei sind der dritte Arbeitsraum 81 und der zweite Arbeitsraum 8 des Feder-Dämpfer-Systems 10 mittels einer hydraulischen Leitung 13 miteinander verbunden. Darüber hinaus umfasst das Ventil 11 eine Spule mit einem Innenwiderstand und in dem Steuergerät 12 sind weitere Daten 17 zur Hydraulikflüssigkeits-temperaturabhängigen Regelung des Ventils 10 hinterlegt sind.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
