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Die
Erfindung betrifft allgemein antriebsunterstützte Lenksysteme, wie sie zum
Beispiel in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, und insbesondere ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwingungen im Lenksystem,
welche sonst zum Lenkrad übermittelt
werden können.
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Kraftfahrzeug-Lenksysteme
sind einer großen
Anzahl von Kräften
ausgesetzt, die Schwingungen verursachen können, die vom Fahrer durch
das Lenkrad gefühlt
werden. Diese unerwünschten
Lenkrad-Schwingungen, welche gemeinhin als Zittern bekannt sind,
können
durch rauhe Bremsen, ein Reifen/Rad-Ungleichgewicht, Straßen-Unebenheit
oder andere Anregungsquellen verursacht werden.
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Weil
das Lenkzittern durch Anregungen über einen weiten Frequenzbereich
verursacht wird, ist eine wirksame Ingenieurlösung des Problems sehr herausfordernd.
Frühere
Bemühungen,
das Zittern zu eliminieren, waren auf das Konstruieren und das Abstimmen
der Gummibälge,
Lager und Gelenke, welche in der Lenkung und im Aufhängungs-System verwendet
wurden, gerichtet, um ein gewünschtes Maß an Schwingungsdämpfung zu
erreichen. Bedauerlicherweise haben diese Bemühungen nur begrenzten Erfolg
gehabt, und sie erfordern oft Kompromisse in anderen Fahrzeugattributen
wie zum Beispiel Fahrgefühl,
Lenkgefühl,
Abrollkomfort und Stoßwiderstand.
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Ölgefüllte Gummibälge, auch
als Hydraulikbälge
bekannt, sind der primäre
Lagertyp, welche verwendet werden, um eine Aufhängungs-Schwingung, welche von
Bremsen und Reifen/Rad-Systemen
verursacht worden sind, zu reduzieren. Hydraulikbälge erfordern
jedoch einen relativ großen
Bauraum, so dass Hauptbaugruppen- und Chassissystem-Neukonstruktionen erforderlich
sein können,
um diese Komponenten unterzubringen. Außerdem sind Hydraulikbälge teuer
und nicht lange haltbar.
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DE 43 15 916 A1 offenbart
ein antriebsunterstütztes
Lenksystem für
ein mit Rädern
versehenes Fahrzeug, aufweisend: ein Lenkstellglied (Zahnstange
2),
welches so bewegbar ist, dass ein Lenkwinkel mindestens eines Rades
gesteuert wird, ein Antriebsverstärkungs-System (Zahnstange
2,
Zylinderraum
19), welches betrieben wird, um eine Lenkkraft auf
das Lenkstellglied (
2) aufzubringen, so dass der Lenkwinkel
geändert
wird, ein Dämpfungsteil
(Dämpferkolben
21),
welches an das Lenkstellglied (
2) angrenzt, und ein Dämpfungs-Steuersystem
(Drosselbohrungen
28,
29 und Bohrungen
30,
31),
um die Dämpfungskraft
zu reduzieren, wenn das Antriebsverstärkungs-System Lenkkraft zum
Lenkstellglied aufbringt.
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Ferner
ist in der Offenlegungsschrift
DE 43 15 916 A1 ein antriebsunterstütztes Lenksystem
für ein
mit Rädern
versehenes Fahrzeug beschrieben, aufweisend: ein Lenkstellglied
(
2), welches entlang einer Achse (X) bewegbar ist, um mindestens
ein Rad zu lenken, ein Antriebsverstärkungs-System (
2,
19),
welches betrieben wird, das Lenkstellglied (
2) zu drängen, ein
Gehäuse
(
1), welches mindestens einen Abschnitt des Lenkstellglieds
(
2) umgibt und eine Innenoberfläche hat, welche in Richtung
zum Lenkstellglied (
2) orientiert ist, und ein Dämpfungsteil
(
21), welches eine Außenoberfläche hat,
welche in Richtung zum Gehäuse
(
1) orientiert ist.
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Des
Weiteren ist aus der Offenlegungsschrift
DE 43 15 916 A1 ein Verfahren
zur Schwingungs-Unterdrückung
in einem mit Rädern
versehenen Fahrzeuglenksystem bekannt, welches ein Lenkstellglied (
2)
aufweist, welches bewegbar ist, um mindestens ein Rad zu lenken,
und ein Antriebsverstärkungs-System (
2,
19)
zum Aufbringen einer Lenkkraft aufweist, um das Lenkstellglied (
2)
zu bewegen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen einer
Dämpfungskraft,
um eine Schwingung des Lenkstellglieds (
2) zu unterdrücken, wenn
das Antriebsverstärkungs-System
(
2,
19) die Lenkkraft nicht aufbringt, und Reduzieren
der Dämpfungskraft,
wenn das Antriebsverstärkungs-System
(
2,
19) die Lenkkraft aufbringt.
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Der
Offenlegungsschrift
DE
41 26 898 A1 ist ein antriebsunterstütztes Lenksystem für ein mit
Rädern
versehenes Fahrzeug zu entnehmen, das zur Arretierung der Lenkung
im Notfall über
ein steuerbares, hydro-mechanisches Klemmsystem verfügt.
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Die
Erfindung schafft ein wirksames Mittel zum Reduzieren von Lenkzittern
und anderen Schwingungen in einem antriebsverstärkten Lenksystem, ohne irgendwelche
anderen Funktionsattribute eines Fahrzeug-Lenksystems oder eines
Fahrzeug-Aufhängungssystems
zu ändern
oder zusammenzufassen. Allgemein wird dies erreicht, indem ein Dämpfungsteil
in unmittelbarer Nähe
zu einem Lenkstellglied vorgesehen ist, und ein Dämpfungs-Steuersystem
vorgesehen ist, welches wirksam ist, die Kraft, mit welcher das
Dämpfungsteil
gegen das Lenkstellglied gedrängt
wird, zu variieren. Das Dämpfungs-Steuersystem
erhöht
den Betrag an Dämpfungskraft,
wenn das Antriebs-Lenkverstärkungssystem
wenig oder keine Lenkkraft auf das Lenkstellglied aufbringt, und
das Dämpfungs-Steuersystem
reduziert den Betrag an Dämpfungskraft, wenn
das Antriebs-Lenkverstärkungssystem
eine signifikante Lenkkraft auf das Lenkstellglied aufbringt.
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Auf
diese Art wird das Lenkstellglied gedämpft, so dass das Lenkzittern
jedes Mal signifikant reduziert wird, wenn der Fahrer des Fahrzeugs
kein Lenksignal an das Lenksystem abgibt, wenn zum Beispiel das
Fahrzeug geradeaus fährt
oder sich in einer Kurvenfahrt mit konstantem Radius befindet. Wenn
jedoch der Fahrer ein Lenksignal abgibt, wenn zum Beispiel das Lenkrad
gedreht wird, ist das Lenkstellglied im Wesentlichen ungedämpft, so
dass das "Fahrgefühl" nicht überdeckt
wird, welches vom Fahrer mittels des Lenkrades erfasst wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der hier beschriebenen Erfindung ist das Lenkstellglied von einem
Gehäuse
umgeben und wird relativ zu dem Gehäuse entlang einer Achse von
einem Hydraulik-Verstärkungssystem
bewegt, um die Lenkkraft aufzubringen. Das Dämpfungsteil ist aus einem Polymer- Material gebildet,
welches das Lenkstellglied umgibt und eine kegelstumpfförmige Außenoberfläche aufweist.
Mindestens ein Klemmteil ist zwischen dem Dämpfungsteil und dem Gehäuse angeordnet
und ist parallel zur Bewegungsachse des Lenkstellgliedes bewegbar
zwischen einer Dämpfungsposition,
in welcher das Klemmteil zwischen der Innenoberfläche des
Gehäuses
und der Außenoberfläche des
Dämpfungsteils
geklemmt ist, so dass das Dämpfungsteil
gegen das Lenkstellglied gedrängt wird,
und einer Entspanntposition, in welcher das Klemmteil das Dämpfungsteil
gegen das Lenkstellglied nicht drängt.
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Ein
Federvorspann-Mechanismus, welcher eine Schraubenfeder sein kann,
drängt
das Klemmteil in Richtung zur Dämpfungsposition,
und ein Sperrventil wirkt derart, dass der Druck vom Hydraulik-Lenkverstärkungssystem
reguliert wird, wobei der Druck in einer Kammer innerhalb des Gehäuses erhöht wird,
so dass jedes Mal die Federkraft überwunden wird, wenn Hydraulikdruck
auf das Lenkstellglied aufgebracht wird.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung wirkt der Federvorspann-Mechanismus
derart, dass es ermöglicht
wird, die Federvorspannung zu variieren. Dies wird vorzugsweise
durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) erreicht, welche von
einem fahrerbetätigten
Schalter Eingangssignale empfängt,
so dass es dem Fahrer ermöglicht
wird, den Grad an Dämpfung
auszuwählen.
Die ECU kann auch Eingangssignale von einem oder mehreren Fahrzeugzustands-Sensoren
empfangen, wie zum Beispiel einem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor oder
einem Giergeschwindigkeits/Beschleunigungs-Sensor, um eine automatische,
adaptive Einstellung des Grades an Dämpfung in Übereinstimmung mit einem Steuer-Algorithmus
zu ermöglichen, welcher
konstruiert ist, um den Fahrkomfort und die Sicherheit zu optimieren.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme
auf die Zeichnung erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Zeichnung eines hydraulisch verstärkten Zahnstangen-Lenksystems, welches
eine Lenkschwingungs-Unterdrückungsvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung aufweist;
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2 eine
Querschnittsansicht des Hydraulikzylinder-Abschnitts des in 1 gezeigten
Systems mit der Schwingungs-Unterdrückungsvorrichtung in einem
Dämpfungszustand;
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3 eine
vergrößerte Ansicht ähnlich zu 2 mit
der Schwingungs-Unterdrückungsvorrichtung
in einem Entspanntzustand;
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4 eine
schematische Ansicht eines elektronischen variablen Federvorspannungs-Systems.
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Mit
Bezug auf 1 weist ein Antriebs-Lenksystem 10 für ein Fahrzeug
auf: Ein Lenkrad 12, eine Lenkstange 14, und ein
hydraulisch verstärktes Zahnstangen-Lenkgetriebe 16,
welches mit lenkbaren Vorderrädern 18 verbunden
ist. Eine Hydraulikpumpe 20 schickt Fluiddruck zum Lenkgetriebe 16, wenn
das Lenkrad 12 gedreht wird, um eine Antriebsverstärkung in
einer Art zu schaffen, welche nach dem Stand der Technik gut bekannt
ist.
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Wie
aus 2 gut ersichtlich ist, weist das Lenkgetriebe 16 eine
Lenkstellstange 22 und einen angefügten Kolben 24 auf,
welche sich innerhalb eines Gehäuses 26 axial
bewegen. Gegenüberliegende
Enden der Stange 22 sind durch geeignete Verbindungen zu
Rädern 18 so
verbunden, dass eine Bewegung der Stange den Lenkwinkel der Räder ändert. Naben 28, 30 sind
benachbart zu den gegenüberliegenden
Enden des Gehäuses 26 angeordnet und
weisen Axiallager 32, um die Stange 22 für eine Axialbewegung
zu stützen,
und Öldichtungen 33 auf. Der
Raum innerhalb des Gehäuses 26 und
zwischen den Naben 28, 30 weist einen Hydraulikzylinder 38 auf,
der einen Kolben 24 aufweist, und wird mit Hydraulikfluid
von einer Pumpe 20 via Zufuhrleitungen 34, 36 versorgt.
Wenn ein Fahrzeugfahrer (nicht dargestellt) das Lenkrad 12 in
eine erste Richtung dreht, bewirken Ventile (nicht dargestellt)
im Lenkgetriebe 16, dass das Hydraulikfluid durch eine
erste Zufuhrleitung 34 in die linke Seite des Zylinders 38 gedrückt wird
und aus der rechten Seite des Zylinders ausgestoßen wird, wodurch eine Lenkkraft
aufgebracht wird, welche den Kolben 24 und die Stange 22 nach rechts
drängt.
Wenn gleichermaßen
das Lenkrad 12 in die entgegengesetzte zweite Richtung
gedreht wird, wird Hydraulikfluid durch eine zweite Leitung 36 in
die rechte Seite des Zylinders 38 gedrückt und aus der linken Seite
des Zylinders ausgestoßen,
wodurch eine Lenkkraft aufgebracht wird, welche die Stange 22 nach
links drängt.
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Eine
oder mehrere Federn 40 werden in Taschen gehalten, welche
zum rechten oder inneren Ende der Nabe 28 angrenzend gebildet
sind. Ein Klemmteil 42 ist innerhalb der Nabe 28 angeordnet und
ist bezüglich
der Nabe axial verschiebbar. Das Klemmteil 42 kann eine
einzelne, im Wesentlichen ringförmige
Komponente aufweisen, oder es können eine
Mehrzahl von Segmente sein, welche um den Umfang der Nabe 28 herum
im Abstand voneinander angeordnet sind. Die Federn 40 wirken
auf das Klemmteil 42, um es nach links zu drängen, wie
aus den 2 und 3 ersichtlich
ist. Das Klemmteil 42 hat vorzugsweise eine kegelförmige Innenoberfläche 42a.
Eine ringförmige
Druckscheibe 44 ist an das linke Ende des Klemmteils 42 angrenzend
angeordnet. Das linke Ende der Nabe 28 wird von einer Aufnahme 46 so
begrenzt, dass eine ringförmige
Kammer 48 zwischen der Aufnahme und der Druckscheibe 44 definiert
ist.
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Zwischen
der Stange 22 und dem Klemmteil 42 ist ein Dämpfer 50 angeordnet,
welcher die Stange 22 im Wesentlichen umgibt. Der Dämpfer 50 kann eine
einzelne, im Wesentlichen ringförmige
Komponente aufweisen, oder es können
eine Mehrzahl von Segmenten sein, welche um den Umfang der Stange 22 herum
im Abstand voneinander angeordnet sind. Der Dämpfer 50 hat eine
kegelstumpfförmige
Außenoberfläche 50a über einem
Großteil
seiner Axiallänge,
wobei der Kegelwinkel des Dämpfers
an den Kegelwinkel der Klemmteil-Innenoberfläche 42a angepasst
ist. Der Dämpfer 50 ist
aus einem elastischdeformierbaren Material, wie zum Beispiel einem
Polymer, gebildet. Wenn der Dämpfer
nicht deformiert ist, passt er lose um die Stange 22, so
dass die Stange durch den Dämpfer
hindurchgleiten kann.
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Ein
Sperrventil 52 hat eine Auslassöffnung 52a, welche
mit der Kammer 48 innerhalb der Nabe 28 kommuniziert.
Eine erste Rohrleitung 54 erstreckt sich von der Hydraulikzufuhr-Leitung 34 und
ist mit der Einlassöffnung 52c des
Sperrventils 52 verbunden, und eine zweite Rohrleitung 56 erstreckt
sich von der Hydraulikzufuhr-Leitung 36 und ist mit der Einlass-Öffnung 52b des Sperrventils 52 verbunden, wodurch
Hydraulikfluid von dem Antriebslenksystem zum Sperrventil zugeführt wird.
Das Sperrventil 52 wirkt in einer Art, welche nach dem
Stand der Hydrauliktechnik gut bekannt ist, wobei Fluiddruck von entweder
der ersten oder der zweiten Rohrleitung durch die Auslassöffnung 52a passiert,
in Abhängigkeit
davon, welche der Rohrleitungen einen größeren Druck aufweist.
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Wenn
das Lenkrad 12 in einer Ruhelage beibehalten wird, wirkt
das Lenkgetriebe 16 so, dass es keine Hydraulikdruck-Differenz zwischen
der linken und der rechten Seite des Kolbens 24 gibt. In
dieser Ruhelage reguliert das Sperrventil 52 den Hydraulikdruck,
welcher via der Rohrleitungen 54, 56 zugeführt wird,
derart, dass ein Basisdruck-Niveau innerhalb der Kammer 48 beibehalten
wird. Bei diesem Basisdruck generieren Federn 40 eine hinreichende
Kraft, um das Klemmteil 42 und die Druckscheibe 44 nach links
zu einer Dämpfungsposition
zu drängen,
in der das Klemmteil 42 zwischen dem Gehäuse 26 und
der Dämpfung 50 geklemmt
ist, wodurch eine Klemmkraft auf den Dämpfer ausgeübt wird, welche den Dämpfer radial
nach innen gegen die Stange 22 drängt. Die Innenoberfläche des
Dämpfers 50,
welcher die Stange 22 kontaktiert, kann eingekerbt oder anders
texturiert sein, um die Haftung zu erhöhen, welche der Dämpfer 50 auf
die Stange hat, wenn er nach innenwärts geklemmt wird.
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Wenn
der Fahrer einen Lenkeinschlag durch Drehen des Lenkrades 12 durchführt, wirkt
das Lenkgetriebe 16 derart, dass der Hydraulikdruck entweder in
der ersten Zufuhrleitung 34 oder in der zweiten Zufuhrleitung 36 ansteigt,
wodurch entweder auf der linken Seite oder auf der rechten Seite
des Kolbens 24 eine Kraft aufgebracht wird, welche erforderlich
ist, eine Antriebsverstärkung
zu schaffen, welche die Stange 22 in die gewünschte Richtung
drängt.
In diesem Drehzustand des Lenkrades reguliert das Sperrventil 52 den
Hydraulikdruck, welcher via einer der beiden Rohrleitungen 54, 56,
welche den höheren Druck
hat, zugeführt
wird, derart, dass das Druckniveau innerhalb der Kammer 48 über das
Basisdruckniveau ansteigt. Bei diesem erhöhten Druck ist die auf die
Druckplatte 44 ausgeübte
Hydraulikkraft größer als
die Kraft der Federn 40, und das Klemmteil 42 wird
zur Rechten in eine Entspanntposition gedrängt, in welcher die von dem
Klemmteil auf den Dämpfer 50 ausgeübte Klemmkraft
reduziert oder eliminiert ist. Der Dämpfer 50 ist hinreichend
federnd, dass er in seinen undeformierten Zustand zurückkehrt,
wenn die Klemmkraft nachgelassen hat, wobei es der Stange 22 möglich ist,
bezüglich
des Dämpfers 50 und
des Gehäuses 26 sich
so frei zu verschieben, wie es erforderlich ist, um die Fahrzeugräder 18 zu
lenken. Wenn das Klemmteil 42 in der Entspanntposition
ist, gibt es keine Wechselwirkung zwischen dem Dämpfungssystem und der Bewegung
der Lenkstellstange 22 in einer Art, welche die Wirksamkeit
oder das Lenk"gefühl" des Lenksystems
ungünstig
beeinflusst.
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Funktionsparameter
des Dämpfungssystems,
wie der Betrag der nach innen gerichteten Kraft, welche während der
Ruhelage auf die Stange 22 vom Dämpfer 50 ausgeübt wird,
und der Betrag des Hydraulikdruckes, welcher erforderlich ist, um
die Dämpfung
während
des Lenkrad-Drehzustandes zu reduzieren, werden durch Einstellen
unterschiedlicher Konstruktionsfaktoren des Systems abgestimmt.
Diese Konstruktionsfaktoren weisen auf: Die Federkraft, die Federvorspannung,
das Basis-Druckniveau in der Kammer 48 und die physikalischen
Eigenschaften des Dämpfers 50.
Die System-Funktionsparameter
werden so abgestimmt, dass eine effektive Dämpfung der mechanischen Schwingungen geschaffen
wird, welche von der Lenkstellwelle 22 erfahren wird und
welche zum Lenkrad 12 übertragen werden
können.
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Während Schraubenfedern 40 dargestellt sind,
die Dämpfungskraft
in der geschilderten Ausführungsform
zu schaffen, kann jede geeignete Art von Federvorspann-Mechanismus verwendet
werden, um den Dämpfer
in Kontakt mit der Stange 22 zu drängen, wie zum Beispiel Blattfedern
oder Luftfedern.
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Es
kann vorteilhaft sein, dass ermöglicht wird,
dass gewisse Eigenschaften des Feder-Vorspannmechanismus (wie z.B.
Vorspannung und/oder Federrate) während des Betriebes des Fahrzeugs variiert
oder eingestellt werden. Wie aus 4 ersichtlich,
kann dies durch ein Pneumatiksystem 60 erreicht werden,
bei welchem eine Gasdruckquelle, wie zum Beispiel eine Pumpe 62 und/oder
ein Druckbehälter 64,
an eine Luftfeder 66 gekoppelt ist, welche innerhalb der
Nabe 28 positioniert ist, so dass das Klemmteil 42 in
die Dämpfungsposition
gedrängt wird.
Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 68 variiert den
Gasdruckbetrag, welcher zur Luftfeder 66 zugeführt wird,
wodurch der Betrag der auf das Klemmteil 42 ausgeübten Federkraft
variiert wird. Die ECU 68 kann Eingaben von einem vom Fahrer
betätigten Schalter 70 entgegennehmen,
womit es dem Fahrer möglich
ist, den Dämpfungsgrad
zu steuern. Die ECU 68 kann auch Eingaben von einem oder
mehreren Fahrzeugzustands-Sensoren entgegennehmen (wie zum Beispiel
einem Fahrzeuggeschwindigkeits-Sensor 72 und/oder einem
Giergeschwindigkeits-Sensor 74), wodurch ein automatisches,
adaptives Einstellen des Dämpfungsgrades
in Übereinstimmung
mit einem Steueralgorithmus ermöglicht
wird, welcher konstruiert ist, um den Fahrkomfort und die Sicherheit
zu optimieren. Die ECU 68 kann in elektronischer Kommunikation
oder auf andere Art und Weise mit anderen Fahrzeugdynamik-Computern
(nicht dargestellt) als Teil eines integrierten Fahrzeugdynamik-Steuersystems
integriert sein.
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Andere
Mittel und Verfahren zum Schaffen eines variablen und/oder adaptiven
Federsteuerungs-Systems sind für
den Durchschnittsfachmann ersichtlich, wie zum Beispiel ein elektromagnetisches System
oder ein magneto-rheologisches System.
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Das
hier beschriebene und dargestellte Hydraulikantriebs-Lenksystem ist nur
eine mögliche
Art von Antriebsverstärkungs-Systemen.
Ein Dämpfungssystem
für andere
Arten von Antriebsverstärkungs-Systemen
wird auch von der Erfindung umfasst. Zum Beispiel kann ein System,
welches einen elektrischen Motor verwendet, um eine Antriebsverstärkung zu
einem Lenkstellglied zu schaffen, angepasst sein, dass es das erfindungsgemäße Schwingungs-Dämpfungssystem aufweist, indem
Dämpfungsstellglieder
vorgesehen sind, welche elektrisch angetrieben sind. Die elektrisch
betriebenen Dämpfungsstellglieder
nehmen elektrische Leistung und/oder Steuersignale in Koordination
mit den Signalen zum elektrischen Motor auf, so dass eine Dämpfungskraft
zunimmt, wenn der elektrische Motor keine Lenkkraft zum Lenkstellglied
aufbringt, und abnimmt, wenn der elektrische Motor die Lenkkraft aufbringt.