DE10256278A1 - Federsystem für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen - Google Patents

Abstract

Für ein Federsystem für Fahrzeuge, das mit aktiver Federung sowie Niveauregulierung und/oder Niveauverstellung arbeitet, wird eine Ausgestaltung vorgeschlagen, die eine wechselseitige Beeinflussung und eine Beeinträchtigung der jeweiligen Anordnungen in ihrer Funktion insbesondere dadurch ausschließt, dass für die der jeweiligen Niveaulage des Fahrzeugaufbaus entsprechende Stützlänge ein Stellvolumen des hydraulischen Stellgliedes hydraulisch starr vorgegeben wird, auf dem, als Basis, die hochfrequenten Veränderungen des Stellvolumens zur aktiven Beeinflussung der Federung ablaufen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Federsystem für Fahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Ein aktives Federsystem der vorgenannten Art ist aus der Veröffentlichung (at-Automatisierungstechnik „44 (1996) 7, Oldenbourg Verlag) bekannt und zwar in Verbindung mit Radabstützungen, die ein federnd zwischen Rad und Aufbau abgestütztes hydraulisches Stellglied umfassen. Über das eingebrachte Ölvolumen ist die Stützlänge des Stellgliedes und damit die Niveaulage des Fahrzeugaufbaus über der jeweiligen Radabstützung bestimmt. Das Stellvolumen ist zur aktiven Beeinflussung der Federung beaufschlagbar, indem es an eine Druckquelle angeschlossen ist. Als Druckquelle ist eine Pumpe vorgesehen, die motorisch in entgegengesetzten Richtungen anzutreiben ist und die entsprechend ihrer Förderrichtung das Stellvolumen des Stellgliedes zu einem Speicher hin oder von ihm weg fördert. Es wurde auch bereits vorgeschlagen (P 102 13 156.2), einem solchen System für den Einsatz in einem Fahrzeug eine Niveauregulierung und eine Niveauverstellung hinzufügen, also das eingebrachte Stellvolumen zu verändern und damit die Stützlänge des Stellgliedes zu beeinflussen.
• Wird das Fahrzeug beladen und/oder soll es erhöhte Bodenfreiheit erreichen, wird Stellvolumen aus einer Reservemenge zugeführt, wozu eine Druckquelle notwendig ist, die einen höheren Druck als den Systemdruck der Federung liefern kann. Ventile können diese Volumenzufuhr steuern.
• Wird das Fahrzeug entladen und/oder soll es verringerte Bodenfreiheit erreichen, muss Stellvolumen abgeführt werden, was durch den Systemdruck bewerkstelligt wird, wenn das System drucklos in einen Behälter entleert wird. Ventile können diese Volumenabfuhr steuern.
• Jedenfalls ist das System während dieser relativ langsamen Vorgänge elastisch. Das beeinträchtigt solange die Qualität der aktiven Beeinflussung der Federung, erschwert die Realisierung hoher Eckfrequenzen und stört eine präzise, aus Fahr-, Sicherheits- und Komfortgründen angestrebte Abstimmung des Systems.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Federsystem der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass wechselseitige Beeinträchtigungen von Niveauregelung oder Niveauverstellung einerseits und von aktiver Beeinflussung der Federung andererseits vermieden werden.
• Gemäß der Erfindung wird dies bei einem Federsystem der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruches 1 erreicht, demzufolge eine voneinander unabhängige Einspeisung bzw. Abführung von Hydraulikmedium als Stellvolumen für die Einstellung der die Niveaulage bestimmenden Stützlänge einerseits und für die aktive Beeinflussung der Federung (aktive Federung) andererseits vorgesehen wird, wobei das gesamte volumen von einer unnachgiebigen und bezüglich zumindest einer Wandung verstellbar beaufschlagten Umgrenzung umschlossen ist. Damit ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Einstellung der Niveaulage unabhängig von den Maßnahmen zur aktiven Beeinflussung der Federung vorzunehmen. Das Stellvolumen für die (aktive) Federung setzt jeweils auf das einer vorgegebenen Niveaulage zugehörige Stellvolumen auf, da es sich bei der Niveauverstellung um relativ langsame Vorgänge im Bereich von Sekunden oder mehr handelt, während für die aktive Beeinflussung der Federung hohe Eckfrequenzen zu realisieren sind. Zudem erfährt die jeweils vorgegebene Niveaulage während der Fahrt kaum Änderungen, während zur Beeinflussung der Federung dienende Maßnahmen während der Fahrt fortlaufend erforderlich sind.
• Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es, neben ihren steuerungs- und regeltechnischen Vorteilen, auf erprobten Bauteilen aufzubauen und es kann das Stellvolumen im Rahmen der Erfindung einem im Volumen veränderlichen Zylinderraum, so beispielsweise einem Federbein zugeordnet sein.
• Entsprechendes gilt auch bezüglich des Verdrängungsvolumens, bzw. des dieses umschließenden Verdrängungsraumes, der eine in sich unnachgiebige, aber über ein Verdrängungselement bezüglich des umschlossenen Volumens veränderbare Einheit bildet.
• Eine solche Einheit kann in bewährter Weise mit einer Zylinder-Kolben-Anordnung aufgebaut werden, deren Kolben über einen Antrieb beaufschlagbar ist, wobei es sich als zweckmäßig erweist, diesen Antrieb selbsthemmend in Bezug auf die durch den wechselnden Systemdruck bedingte Belastung des Verdrängungselementes auszubilden, so dass die jeweilige Niveaulage ohne oder ohne wesentlichen Energieeinsatz gehalten werden kann und dabei keine störende Elastizität bildet. Das Verdrängungselement, insbesondere ein Verdrängungskolben, kann hierzu über einen Spindelantrieb verstellbar beaufschlagt sein, der auch eine selbsthemmende Abstützung gewährleistet.
• Im Rahmen der Erfindung liegt es, einzelne Radabstützungen, insbesondere die einer Achse zugehörigen Radabstützungen bezüglich ihrer Verdrängungsvolumina getrennt oder auch gemeinsam verstellbar auszubilden, wobei bezogen auf eine gemeinsame Verstellbarkeit eine bezüglich des Stellantriebes symmetrische Anordnung der jeweiligen, den Verdrängungsraum bestimmenden Zylinderkolbenanordnungen zweckmäßig ist.
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei
• 1 und 2 schematische Darstellungen zweier einer Achse eines Fahrzeuges zugehörige Radabstützungen zeigen, die bei Ausbildung der Federung als aktive Federung bezüglich der Niveaulage des Fahrzeugaufbaus zu den Rädern einstellbar sind, wobei in den Figuren unterschiedliche Ausbildungen des für die Niveauverstellung vorgesehenen Stellantriebes gezeigt sind, und
• 3 eine Darstellung zweier einer Achse eines Fahrzeugs zugehöriger Radabstützungen in einem der 1 ähnlichem Grundaufbau für eine nichtaktive pneumatische Federung, der eine Niveauverstellung bzw. Niveauregelung überlagert ist.
• Die Figuren veranschaulichen, stark schematisiert, ein Federsystem für Fahrzeuge, wobei jeweils nur ein eine Achse des Fahrzeugs umfassender Ausschnitt gezeigt ist, der die der Achse zugehörigen und prinzipiell gleich ausgebildeten, bei derseitigen Radabstützungen 1 veranschaulicht, die jeweils ein hydraulisches Stellglied 2 umfassen, das zwischen dem generell mit 3 bezeichneten, nur angedeuteten Aufbau und dem zugehörigen Rad 4 liegt. Der Abstützung gegen den Aufbau 3 gegenüberliegend erfolgt die radseitige Abstützung des Stellgliedes 2 über ein Federelement 5 gegen einen das Rad 4 tragenden Lenker 6, der seinerseits Bestandteil einer weiter nicht dargestellten Radführung ist und am Aufbau 3 angelenkt ist. Als hydraulisches Stellglied 2 ist eine Kolbenzylindereinheit mit Zylinder 7 und Kolben 8 angedeutet, bei der sich der Kolben 8 über die Feder 5 gegen den Lenker 6 abstützt.
• Der Kolben 8 grenzt gegenüber dem Zylinder 7 ein in der Größe veränderliches Stellvolumen 9 ab, in das eine Anschlussleitung 10 mündet, die über eine Ventileinheit 11 mit der als Blackbox angedeuteten Hydraulik 12 für eine aktive Beeinflussung der Federung über eine Leitung 13 verbunden ist. Die Hydraulik kann in bekannter Weise ausgestaltet sein, so beispielsweise gemäß der Veröffentlichung in at-Automatisierungstechnik 44(1996)7, Oldenbourg Verlag, und sie umfasst bevorzugt zugeordnet zur jeweiligen Radabstützung 1 eine Pumpe als Druckquelle, die in ihrer Förderrichtung umkehrbar ist und der eine Speichereinheit zugeordnet ist, auf die die Pumpe das dem Stellvolumen 9 entnommene Hydraulikmedium fördert bzw. aus der die Pumpe gespeist wird, wenn sie bei umgekehrter Drehrichtung auf das Stellvolumen 9 fördert.
• Die Ventileinheit 11 ist im Ausführungsbeispiel durch ein 2/2-Wegeventil gebildet, das in der gezeigten Grundstellung das Stellvolumen 9 gegen die Hydraulik 12 absperrt, so dass das Stellvolumen 9 über die Leitung 14, die in die Anschlussleitung 10 mündet, lediglich mit einem Verdrängungsvolumen 15 verbunden ist. Dieses Verdrängungsvolumen 15 ist von einer Umgrenzung 16 umschlossen, welche im Ausführungsbeispiel durch eine Kolben-Zylinder-Einheit gebildet ist, welche einen lediglich durch die Verstellung des Kolbens 17 gegen den Zylinder 18 volumenveränderlichen Verdrängungsraum aufweist, so dass bei in der Grundstellung befindlicher Ventileinheit 11, wie gezeigt, das Stellvolumen 9 und das Verdrängungsvolumen 15 über die zugehörige Leitung 14 ein geschlossenes, und, sieht man von den bei hohen Drücken gegebenen Elastizitäten des Hydraulikmediums ab, hydraulisch starres System bilden. Der Kolben 17 als verstellbare Wand der das Verdrängungsvolumen 15 umschließenden, unnachgiebigen Umgrenzung ist in 1 über einen Stellantrieb 19 beaufschlagt, der einen gegensinnig antreibbaren Stellmotor 20 umfasst und der in der Darstellung gemäß 1 der gemeinsamen Verstellung der Kolben 17 der beiden einer Achse zugehörigen Radabstützungen 1 dient. Die gemeinsame Verstellung der Kolben 17 erfolgt ausgehend vom Stellmotor 20 über gegenläufig gewendelte Abschnitte 21, 22 einer Spindel 23, so dass eine synchrone und bezogen auf das jeweilige Verdrängungsvolumen 15 gleichgerichtete Verstellung der Kolben 17 erfolgt, mit dem Effekt einer entsprechend gleichsinnigen Veränderung der Stellvolumina 9 im Sinne einer Vergrößerung oder Verkleinerung.
• Angedeutet ist in 1 des Weiteren eine Erfassung der jeweiligen Niveaulage des Fahrzeugaufbaus 3, wie bei 24 angedeutet, für die jeweilige Radabstützung 1 und die Verarbeitung der entsprechenden Informationen in einem Steuergerät 25, das entsprechende Signalverbindungen, wie strichliert angedeutet, zur Hydraulik 12, zum Stellantrieb 19 und zu den Ventileinheiten 11 aufweist, ungeachtet der möglichen Erfassung und Verarbeitung weiterer, insbesondere fahrdynamischer und/oder motorischer Parameter, sowie auch der Ansteuerung weiterer Elemente oder Aggregate.
• In Abhängigkeit von der jeweils gewünschten Niveaulage kann bei der geschilderten Lösung durch Veränderung der Verdrängungsvolumina 15 die Größe der Stellvolumina 9 der Stellglieder 2, und damit die Stützlänge der Stellglieder 2 verändert werden, wobei die diesbezüglichen Stellvorgänge als relativ langsame Vorgänge im Bereich von Sekunden oder mehr ablaufen, wogegen Prozesse zur aktiven Beeinflussung der Federung mit weit höheren Frequenzen ablaufen, und dies auch permanent während des Fahrbetriebes, während Anpassungen in der Niveaulage vergleichsweise selten notwendig sind. Dementsprechend bildet das in Bezug auf eine Niveaulage vorgegebene Stellvolumen 9 in Verbindung mit der hydraulisch starren Kupplung dieses Stellvolumens 9 an das entsprechende Verdrängungsvolumen 15 die Basis, auf der die aktive Beeinflussung der Federung aufsattelt, wobei die im Rahmen der aktiven Federung hochfrequenten Veränderungen des Stellvolumens aufgrund der niveaubezogen, hydraulisch starren Abstützung durch Elastizitäten nicht, oder nicht wesentlich verfälscht werden, so dass eine hohe Regelgüte erreichbar ist. Dies auch bei etwaiger gleichzeitiger Veränderung der Niveaulage, da diese Veränderungen wesentlich langsamer und bei niedrigeren Frequenzen ablaufen.
• Für einen energiesparenden Einsatz des Federsystems ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn der Spindeltrieb 23 für die Verdrängungskolben 17 selbsthemmend in Bezug auf den jeweils anstehenden Systemdruck ausgebildet ist, so dass die im Regelfall langfristig zu haltende Niveaulage keine motorische Abstützung der Verdrängungskolben 17 bedingt.
• Erweiterte Einflussmöglichkeiten im Sinne einer unabhängigen Verstellung der Niveaulage des Fahrzeugaufbaus 3 bezogen auf eine jeweilige Radabstützung 1 ergeben sich, wenn, wie in 2 gezeigt, den Verdrängungsvolumina 15 jeweils eigen ständige Stellantriebe 26, 27 zugeordnet werden, die in ihrem Aufbau dem der 1 entsprechenden Stellantrieb grundsätzlich entsprechen. Die voneinander unabhängige Veränderung der Verdrängungsvolumina 15a und 15b ermöglicht eine individuelle Einflussnahme auf die Stützlängen der Stellglieder 2 der einer Achse zugeordneten Radabstützungen 1, so dass beispielsweise ungleichmäßige Belastungen des Fahrzeuges, längere Kurvenfahrten und dergleichen in ihrer Auswirkung auf die Niveaulage ausgeglichen werden können. Ansonsten entspricht der Aufbau gemäß 2 jenem gemäß 1 und es wird auf die dortigen Ausführungen verwiesen.
• 3 betrifft bei ähnlichem Grundaufbau wie 1 eine nichtaktive pneumatische Federung, die mit radseitigen pneumatischen Federelementen 30 arbeitet, welche als Kolben-Zylinder-Einheiten mit Kolben 31 und Zylindern 32 symbolisch dargestellt sind, die im Regelfall – ohne zwischengeschaltetes Federelement 33 – gegen ein radseitiges Führungselement 34 abgestützt sind. In der Praxis finden anstelle der dargestellten Kolben-Zylinder-Einheiten im Regelfall balgartige Federelemente, wie beispielsweise Rollbalgfedern oder dergleichen Verwendung.
• Die Federelemente 30 sind über Ventileinheiten 35 – analog zur Ausgestaltung gemäß 1 – an eine pneumatische Versorgungseinheit 36 angeschlossen, welche üblicherweise als Druckquelle einen Kompressor, sowie gegebenenfalls auch eine Druckspeichereinheit umfasst, was im Einzelnen nicht gezeigt ist. Über eine Steuer- oder Regeleinheit, etwa analog der in 1 dargestellten, werden die Federelemente (30) belastungsabhängig pneumatisch derart beaufschlagt, dass sich eine jeweils vorgegebene Grundeinstellung als Mittellage ergibt, um die die Federbewegungen ausgeführt werden.
• Die belastungsunabhängige Aufrechterhaltung bzw. Einstellung eines derartigen Grundniveaus bedingt unter Umständen die kurzfristige Bereitstellung auch größerer Luftmengen, was eine entsprechend leistungsstarke Versorgungseinheit 36 mit einem Kompressor zur Folge haben würde, der auf Fördermengen ausgelegt sein müsste, die, bei dem gegebenen Druckniveau, weit oberhalb des mittleren Bedarfes liegen würden.
• Um dies und den dadurch dauerhaft erhöhten Energiebedarf zu vermeiden wird im Rahmen der Erfindung von einer Auslegung der Versorgungseinheit 36 ausgegangen, die in ihrem Fördervolumen auf den Regelbedarf für die nichtaktive pneumatische Federung zugeschnitten ist und damit kurzzeitige Bedarfsspitzen zur Niveauanpassung nicht abdeckt. Zur Abdeckung solcher Bedarfsspitzen wird eine Parallelversorgung vorgesehen, die über die Ventileinheiten 35 gegen die Versorgungseinheit 36 abgetrennt an die Federelemente 30 angeschlossen ist.
• Im Ausführungsbeispiel erfolgt der Anschluss der Parallelversorgung über Leitungen 37 an die Verbindungsleitung 38 zwischen jeweiliger Ventileinheit 35 und Federelement 30, wobei die Leitung 37 an einen volumenveränderlichen pneumatischen Speicher 39 angeschlossen ist. Der Speicher 39 ist bevorzugt als Membranspeicher ausgebildet und weist gegenüberliegend zu seiner mit der Leitung 37 verbundenen Kammer 40 eine Kammer 41 auf, die mit einem inkompressiblen hydraulischen Medium beaufschlagt ist und mit einem Verdrängungsvolumen 42 verbunden ist. Das Verdrängungsvolumen 42 ist im Ausführungsbeispiel durch das Hubvolumen einer Kolben-Zylinder-Einheit 43 gebildet, deren Kolben 46 mit einem Stellantrieb 44 verbunden ist.
• Analog zu 1 ist in 3 bei prinzipiell symmetrischem Aufbau des Federsystems der Stellantrieb 44 als gemeinsamer Stellantrieb für die beiden Kolben-Zylinder-Einheiten 43 vorgesehen und umfasst einen Spindelantrieb 45 mit gegenläufiger Steigung, so dass sich für die Kolben 46 gleich gerichtete Verstellbewegungen ergeben. Auch bei einer Ausgestaltung gemäß 3 können den Verdrängungsvolumina 42 analog zu 2 aber gesonderte Antriebe zugeordnet sein, wodurch sich ein erweitertes Einsatzspektrum ergibt.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich kurzfristige Bedarfsspitzen im Hinblick auf gewollte Veränderungen in der Niveaulage der Federelemente 30 bei geringem Energiebedarf abdecken und es ist dadurch in vorteilhafter Weise möglich, pneumatische Federungssystem insbesondere im Hinblick auf das Wank- und Nickverhalten zu verbessern, sowie auch eventuell erforderliche schnelle Anpassungen in der Niveaulage des Fahrzeuges, wie sie insbesondere für Geländefahrzeuge notwendig werden können, vorzunehmen.

Claims (11)

1. Federsystem für Fahrzeuge, insbesondere PKW, mit einer Radabstützung, die ein federnd zwischen Rad und Aufbau abgestütztes hydraulisches Stellglied umfasst, das in seiner die Niveaulage des Fahrzeugaufbaus bestimmenden Stützlänge durch Veränderung des Stellvolumens einstellbar ist und dessen Stellvolumen zur aktiven Beeinflussung der Federung beaufschlagbar ist, wobei das Stellvolumen des Stellgliedes über eine Ventileinheit an eine Druckquelle und zur Änderung der Niveaulage an ein gesondertes, in der Größe veränderliches Verdrängungsvolumen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet , dass eine voneinander unabhängige Einspeisung auf das Stellvolumen (9) von der Druckquelle zur aktiven Beeinflussung der Federung und aus dem Verdrängungsvolumen (15) zur Einstellung der Niveaulage vorgesehen ist und dass das Verdrängungsvolumen (15) von einer unnachgiebigen, bezüglich zumindest einer Wandung verstellbaren sowie zur Verstellung stellkraftbeaufschlagten, einen Verdrängungsraum bestimmenden Umgrenzung (16) umschlossen ist.
2. Federsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellvolumen (9) von einem im Volumen veränderlichen Zylinderraum umgrenzt ist.
3. Federsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungsvolumen (15) und das Stellvolumen (9) bei gegen die Druckquelle sperrender Ventileinheit (11) ein hydraulisch geschlossenes System bilden.
4. Federsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungsvolumen (15) des Verdrängungsraumes über ein Verdrängungselement (Kolben 17) verstellbar ist.
5. Federsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdrängungselement ein Kolben (17) vorgesehen ist.
6. Federsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement, insbesondere der Verdrängungskolben (17) über einen Antrieb (19) verstellbar ist, der in der das Stellvolumen (9) gegen das System druckhaltenden Stellrichtung selbsthemmend ausgebildet ist.
7. Federsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungsraum durch eine Zylinder-Kolben-Anordnung (17, 18) gebildet ist.
8. Federsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (Kolben 17) über einen Spindeltrieb (23) verstellbar ist.
9. Federsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere zwei einer Achse eines Fahrzeuges zugeordnete Radabstützungen (1) vorgesehen sind, deren Verdrängungsvolumina (15) gemeinsam verstellbar sind.
10. Federsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängungsvolumina (15) gemeinsam gegensinnig verstellbar sind.
11. Federsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere zwei einer Achse eines Fahrzeuges zugeordnete Radabstützungen (1) vorgesehen sind, deren Verdrängungsvolumina (15a, 15b) unabhängig voneinander verstellbar sind.