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Die Erfindung betrifft einen elektrisch
verstellbaren Aktuator gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Ein derartiger Aktuator wird u. a.
in Verbindung mit verstellbaren Dämpfventilen in Schwingungsdämpfern verwendet.
Der Aktuator sorgt für eine
rotatorische oder translatorische Bewegung eines Ventilteils oder
eine Krafteinleitung auf ein Ventilteil, dessen Stellung oder Kraftbeaufschlagung
einer gewünschten
Dämpfkraft
zuordbar ist. Die Stellung oder Kraftbeaufschlagung des Ventilteils
ist aber wiederum einem Schaltstrom proportional. Daraus folgt,
dass man eine angestrebte Dämpfkraft
einem bestimmten Schaltstrom für
den Aktuator innerhalb eines Regelkreises gleichsetzen kann.
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Vielfach ist der Aktuator während seines
Betriebs einer erheblichen Wärmezufuhr
ausgesetzt. Mit der Wärmeentwicklung ändert sich
auch der elektrische Widerstand innerhalb der Stromversorgung des
Aktuators, beispielsweise innerhalb einer Spule eines elektromagnetisch
betätigbaren
Ventilteils. Die Widerstandsänderung
aufgrund der Wärmeentwicklung
kann innerhalb eines Regelkreises kompensiert werden, so dass der
angestrebte Schaltstrom präzise gehalten
werden kann.
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Bei einem elektrisch verstellbaren
Ventil in einem Schwingungsdämpfer
wird die Wärmezufuhr von
einem Dämpfmedium
innerhalb des Schwingungsdämpfers
beeinflusst. In dem Maße,
wie sich das Dämpfmedium
erwärmt
oder abkühlt,
verhält sich
auch der elektrische Widerstand innerhalb der Leitungen für die Stromversorgung.
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Mit der Wärmeentwicklung innerhalb des Schwingungsdämpfers ändert sich
aber auch die Viskosität
des in der Regel hydraulischen Dämpfmediums
maßgeblich.
Mit abnehmender Viskosität
bei höheren
Temperaturen sinkt gleichzeitig die Dämpfkraft im verstellbaren Dämpfventil.
Damit ist der ursprüngliche
Ansatz, dass ein bestimmter Schaltstrom für den Aktuator des verstellbare
Dämpfventils
einer gewünschten
Dämpfkrafteinstellung
gleichzusetzen ist, nicht mehr ohne weiteres haltbar. Das angestrebte Ziel
kann z. B. dadurch gehalten werden, dass der Schwingungsdämpfer einer
guten Kühlung
unterzogen wird, so dass die Wärmeentwicklung
zumindest reduziert wird. Eine wirksame Kühlung bedingt aber einen aufwändig Kühlkreislauf
mit Luft oder Wasser als Kühlmedium.
Ein derartiger Aufwand kann aber bei Serienfahrzeugen überhaupt
nicht realisiert werden.
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In dem Schwingungsdämpfer nach
der
DE 40 05 513 C2 wird
mindestens ein Drucksensor innerhalb eines verstellbaren Dämpfventils
eingesetzt. Mit dem Drucksensor lässt sich der Momentandruck im
Arbeitsraum erfassen. Der Differenzdruck zwischen den beiden Arbeitsräumen des
Schwingungsdämpfers
ist ein eindeutiger Parameter zur Bestimmung der Dämpfkraft.
Ein Blick auf die konstruktive Ausgestaltung der hohlen Kolbenstange
des Schwingungsdämpfers lässt aber
auch erahnen, warum sich diese Art der Dämpfkraftmessung und der Ventilsteuerung
bisher nicht durchsetzen konnte.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die Stromversorgung eines elektrischen Aktuators derart
zu verbessern, dass der Temperatureinfluss auf einen angestrebten
Sollwert eines Funktionsträgers
wie z. B. einem verstellbaren Dämpfventil
minimiert wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
der Stromregler infolge einer elektrischen Widerstandsänderung
in der Stromversorgung anhand eines nachgeführten Referenzwerts, der eine temperaturbedingte
Abweichung zu einem Soliwerts kompensiert, als Maß für die Temperaturänderung
im Verhältnis
zu einer Bezugstemperatur am Akfiuator verwendbar ist.
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Für
die Teile der Stromversorgung wird von den Herstellern in der Regel
der elektrische Widerstand bezogen auf eine Normtemperatur, z. B.
20° C angegeben.
So wird der Widerstand einer Spule bei einem elektromagnetischen
Aktuator aus der Windungszahl, der Leiterlänger und des Leiterquerschnitts
berechnet. Der elektrische Widerstand ändert sich bei einer Erwärmung oder
Abkühlung
bezogen auf eine Normtemperatur von 20° C nach der Formel R(T) = R 20° C × (1 + α × ΔT)
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Der Wert α für den Temperaturkoeffizienten kann
aus Werkstofftabellen entnommen werden. Aufgrund dieser rechnerischen
Beziehung kann aus der Änderung
des elektrischen Widerstands sehr leicht auf die Abweichung von
der Normtemperatur geschlossen und die Absoluttemperatur ermittelt
werden. Die Änderung
des elektrischen Widerstands führt
zu einer Änderung
des Sollstroms auf einen Referenzwert. Der neue Referenzwert der
Stromversorgung dient als Maß für die vorhandene
Temperatur innerhalb der Stromversorgung. Die z. B. in einem Schwingungsdämpfer vorliegende
Temperatur beeinflusst wiederum die Viskosi tät des Dämpfmediums, die wiederum mit
der Dämpfkraft
innerhalb eines Dämpfventils
korreliert. Bei einer höheren
Temperatur und einer kleineren Viskosität wird bei einer vorgegeben
Ventileinstellung eine kleinere Dämpfkraft erzielt als bei einer
geringeren Temperatur und in Verbindung mit einer größeren Viskosität.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktuator innerhalb des verstellbaren
Dämpfventils
auf ein Ventilteil wirkt, dessen Betriebspunkt die Dämpfkraft
des verstellbaren Dämpfventils
bestimmt, wobei der Sollwert der Stromversorgung für den Aktuator
auf einen Grenzwert festgelegt wird, der zu einer Temperaturbegrenzung
innerhalb des Schwingungsdämpfers führt.
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Ein Schwingungsdämpfer setzt kinetische Energie
in Wärmeenergie
um, indem ein Dämpfmedium
durch das verstellbare Dämpfventil
gedrückt
wird. Die anfallende Wärme
wird bei einem Fahrzeug in der Regel durch den Fahrtwind abgeführt. Gerade
bei Fahrzeugen, die vergleichsweise langsam durch schweres Gelände bewegt
werden, steht nur ein begrenztes Maß an Fahrtwindkühlung zur
Verfügung. Für diese
Einsatzzwecke hat man bisher besonders wärmebeständige Werkstoffe, z. B. für die Kolbenstangendichtung,
verwendet, die entsprechend teuer sind. Mit der neuen Auswertung
der Temperatur und der damit verbundenen Ansteuerung des verstellbaren
Dämpfventils
kann man z. B. die Dämpfkraft
bei kritischen Temperaturzuständen
zurücknehmen
und die Wärmeentwicklung
wieder in einen Bereich zurückführen, der
von einfacheren Werkstoffen noch bewältigt werden kann.
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Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch sind
in einer Steuerung für
den Stromregler mindestens zwei Kennlinien abgespeichert, die das
Temperaturverhalten der Stromversorgung repräsentieren. Durch Interpolation
kann ein größeres Temperaturspektrum
abgedeckt und der jeweilige Referenzwert für Strom des Aktuators ermittelt
werden.
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Mit der temperaturbedingten Änderung
des elektrischen Widerstands ändert
sich auch der Iststrom in der Stromversorgung. Der Stromregler soll den
Iststrom jedoch auf den Sollstrom nachführen. Würde man jeweils den Sollstrom
auf eine Temperatur von z. B. 20° C
im Schwingungsdämpfer
einstellen, um eine bestimmte Dämpfkraft
zu erreichen, so wäre
je nach Ventilkonstruktion die Sollstromvorgabe im Verhältnis zur
angestrebten Dämpfkraft
zu groß oder
zu klein. Folglich kann die Steuerung ein Dämpfkraftkennfeld enthalten,
in dem zu den verschiedenen Dämpfkraftkennlinien
Referenzwerte für
Sollströme
für verschiedene
Temperaturen zu geordnet sind.
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Vorteilhafterweise wird der Aktuator
von einem pulsweitenmoduliertem Ausgangssignal des Stromreglers
angesteuert, wobei ein Tastverhältnis von
Einschaltzeit zu Ausschaltzeit der Stromversorgung als Kenngröße für die in
der Steuerung abgespeicherten Kennlinien dient. Die Erfindung ist
nicht auf die Anwendung eines Aktuators auf Basis eines PWM-Signals
ausgelegt, sondern kann auch bei einem Stromversorgung in Verbindung
mit einem Transformator zur Anpassung des Sollstroms verwendet werden.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll
die Erfindung näher
erläutert
werden.
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Es zeigt:
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1 Elektrisch
betätigbarer
Aktuator für
ein verstellbares Dämpfventil
innerhalb eines Schwingungsdämpfers
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2 Dämpfkraftkennlinie
eines Schwingungsdämpfers
nach 1
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Die 1 zeigt
einen Schwingungsdämpfer 1 mit
einem Zylinder 3, der von einem Kolben 5 an einer
hohlen Kolbenstange 7 in einen ersten, kolbenstangenseitigen
Arbeitsraum 9 und einen zweiten, kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11 unterteilt
wird. Der Kolben verfügt über Drosselkanäle 13; 15,
die von Ventilscheibe 17; 19 ausgangsseitig zumindest teilweise
verschlossen werden.
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In einem erweiterten Bereich 21 der
Kolbenstange 7 ist ein Hohlraum 23 ausgeführt, der über einen
Bypass mit Anschlüssen 25; 27 mit
den Arbeitsräumen
verbunden ist. Innerhalb des Bypasses ist ein zweites Dämpfventil
mit einem axial beweglichen Ventil 29 angeordnet, dass
sich im geschlossenen Zustand auf einer Zwischenwand 31 abstützt und eine
Verbindungsöffnung 33 zwischen
einem Ventilraum 35 und dem Hohlraum 23 beeinflusst.
Das Ventilteil 29 ist als Anker innerhalb einer Spule 37 angeordnet
und wird von einer Schließfeder 39 in
Richtung der Zwischenwand vorgespannt. Das Ventilteil 29,
die Spule 37 und die Schließfeder 39 bilden einen elektrisch
betätigbaren
Aktuator.
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Innerhalb des Hohlraums 23 ist
ein Dämpfventil 41 angeordnet,
dessen Axialkanäle 43; 45 ebenfalls
zumindest teilweise von Ventilscheiben 47; 49 abgedeckt
werden.
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Die Spule 37 und ein Kabel 51 bilden
eine Stromversorgung, die an eine nur symbolisch dargestellte Steuerung 53 angeschlossen
ist. In Abhängigkeit
der Steuerung kann das Ventilteil 29 einen mehr oder weniger
großen
Querschnitt der Verbindungsöffnung 33 freigeben
und damit den Bypass zwischen den Arbeitsräumen 9; 11 durch
das Dämpfventil 41 öffnen. Es
stellt sich eine überlagerte
Dämpfkraft
aus dem Dämpfventil 41 und
den Drosselkanälen 13 oder 15 im
Kolben 5 ein. Die maximale Dämpfkraft liegt dann vor, wenn
der Bypass geschlossen und nur die Drosselkanäle im Kolben wirksam sind.
Entsprechend stellt sich die minimale Dämpfkraft ein, wenn das Ventilteil 29 die
Verbindungsöffnung
maximal freigibt.
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Bei geschlossener Verbindungsöffnung 33 wird
die Spule 37 mit dem minimalsten Strom versorgt. Hingegen
ist für
die weichste Dämpfkrafteinstellung
der höchste
Strom notwendig, da das Ventilteil gegen die Feder 39 von
der Zwischenwand 31 abgehoben werden muss.
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Damit die Dämpfkraft in der gewünschten Weise
sinnvoll eingestellt wird, erfasst mindestens ein Sensor 55 einen
Parameter, der für
die Bestimmung der Dämpf kraft
geeignet ist, z. B. die Fahrzeugaufbaubeschleunigung. Das Aufbaubeschleunigungssignal
wird der Steuerung 53 zugeführt und in eine Kennlinie umgesetzt,
die eine Zuordnung von erreichbarer Dämpfkraft bei einer gegebenen
Strömungsgeschwindigkeit
v in Verbindung mit einem Sollwert für die Stromversorgung ermöglicht.
Es kann eine Kennlinienschar oder auch ein Kennlinienpaar mit der
Möglichkeit
der Interpolation verwendet werden. Anhand der gewünschten
Kennlinie wird ein Sollwert 1 für die Stromversorgung festgelegt.
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Beim Einsatz des Schwingungsdämpfers wird
Bewegungsenergie im Dämpfventil
und in den Drosselkanälen
in Wärmeenergie
umgewandelt. Dabei erwärmt
sich auch zwangsweise die Stromversorgung, insbesondere die Spule 37.
Ein Stromregler 5 7 als Teil der Steuerung 53 vergleicht
stets einen Istwert mit einem Sollwert und regelt entsprechend nach.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird ein PWM-Ausgangssignal für
die Spule verwendet. Bei einer vorgegebenen Spannung, z. B. 12 V
in einem Kfz wird durch Ein- und Ausschalten eine mittlere Spannung
erzeugt, bei der sich der gewünschte
Sollwert des Stroms einstellt. Das Ein- und Ausschalten bezogen
auf eine Zeiteinheit wird als Tastverhältnis bezeichnet. Das Tastverhältnis kann
auch als Ersatzgröße für die mittlere
Spannung herangezogen werden.
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Die vorstehend beschriebene Wärmeentwicklung
führt dazu,
dass aufgrund der Gleichung R(T) = R 20° C × (1 + α × ΔT) und der Ohmschen Beziehung
zwischen elektrischem Widerstand, Strom und Spannung bei einer Erhöhung des
Widerstands eine entsprechende Verringerung des Stroms auftritt. Der
Stromregler 57 könnte
dieses Abdriften kompensieren und den Sollwert für den Strom halten.
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Innerhalb der Steuerung ist zusätzlich ein Kennlinienfeld 59 enthalten,
das mindestens zwei Kennlinien umfasst, die die Temperaturabhängigkeit des
Stroms für
Stromregler beschreiben. Geht man von einer bestimmten Temperatur
aus und möchte
einen bestimmten Referenzwert für
den Sollwert des Stroms I1 bis IN erreichen,
dann kann man anhand der Kennlinien das PWM-Ausgangssignal für den Aktuator
feststellen. Umgekehrt lässt
sich natürlich auch
einfach feststellen, welche Temperatur bei einem bestimmten PWM-Ausgangssignal
und einem definierten Strom vorliegt. Damit ist eine Temperaturmessung
innerhalb des Schwingungsdämpfers
möglich,
ohne dass ein besonderer Sensor verwendet wird. Letztlich stellt
die Spule den wesentlich Teil des Aufwands für die Temperaturmessung dar.
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Mit der 2 werden die mit der Temperaturmessung
verbundenen Möglichkeiten
verdeutlicht. Auf der horizontalen Achse ist die Geschwindigkeit des
Kolbens innerhalb des Zylinders aufgetragen. Die Kennlinien in Zugrichtung
(Ausfahrrichtung der Kolbenstange) und Druckrichtung (Einfahrrichtung der
Kolbenstange) sind beispielhaft auf vier Einstellungen des verstellbaren
Ventilteils beschränkt.
Es kann jedoch auch eine stufenlose Verstellbarkeit des verstellbaren
Ventilteils gegeben sein. Die Art der Verstellbarkeit ob stufig
oder stufenlos ist stark von dem Aufbau des verstellbaren Dämpfventils
und von der Konfiguration des Aktuators abhängig, wobei die Frage der möglichen
stufenlosen Einstellung für
die Anwendung der Erfindung keine Bedingung ist.
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Jeder der Kennlinien ist ein Sollwert
für die Stromversorgung
zu zuordnen. Die Sollwerte sind jeweils mit einer Temperaturangabe
verbunden. Würde man
ohne Kenntnis der Temperatur beispielsweise einen Sollwert von 0,7
A vorgeben, dann könnte
sich in Abhängigkeit
der Temperatur innerhalb des Schwingungsdämpfers eine Dämpfkraft
einstellen, die zwischen den beiden mittleren Kennlinienbereich liegt.
Bei einer Temperatur von –20° C stellt
sich die obere Kennlinie und bei +80° C die untere Dämpfkraftkennlinie
des mittleren Kennlinien ein. Diese temperaturbedingte Abweichung
von einer gewünschten
Dämpfkraftkennlinie
kann durch die Verwendung des Referenzwerts als Maß für die Temperatur
innerhalb des Schwingungsdämpfers
und damit am Aktuator kompensiert werden, indem der Sollwert z.
B. auf 0,4 A gesenkt wird, um bei +80° C die obere der beiden mittlere
Dämpfkraftkennlinien
gezielt anzufahren.
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Insbesondere bei sehr tiefen oder
sehr hohen Temperaturen können
durch die Ausnutzung der Temperatur zur Bestimmung der gewünschten Dämpfkraftkennlinie
Komfortvorteile erzielt werden. In den Dämpfkraftkennlinien sind die
temperaturbedingten Viskositätsänderungen
bereits enthalten.
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Des weiteren kann durch die Temperaturbestimmung
auch ein Überhitzen
des Schwingungsdämpfers
verhindert werden. Sobald eine kritische Temperatur festgestellt
wird, kann man soweit die Fahrsicherheit es zuläßt, auf eine weichere Dämpfkraftkennlinie
wechseln.
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Auch bei einem „kalten Schwingungsdämpfer" ist
es durchaus sinnvoll die Dämpfkraft
temperaturbedingt zurückzunehmen,
um die Dichtungen innerhalb des Schwingungsdämpfers zu schonen. Des weiteren
kann man auch die Schaltfrequenz des verstellbaren Dämpfventils
reduzieren, um möglichst kleine
Druckunterschiede an den empfindlichen Bauteilen zu erzielen.