DE10327485A1 - Active pneumatic spring system for vehicle suspension systems comprises a spring element with a chamber filled with a gas which is compressible/decompressible by means of a separated, controllable liquid medium - Google Patents

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Karl-Josef Dipl.-Ing. Gerdiken
Karl-Peter Dr.-Ing. Jäker
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Abstract

The active pneumatic spring system for vehicle suspension systems comprises a spring element with a chamber filled with a gas which is compressible/decompressible by means of a separated liquid medium controllable by means of a motor driven hydraulic pump.

Description

Anwendungsgebiet:Field of use:

Die Erfindung beinhaltet ein aktives pneumatisches Federungssystem für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention includes an active pneumatic suspension system for a motor vehicle according to the preamble of claim 1.

Stand der Technik:State of the art:

Pneumatische Federungssysteme und ihre Anwendungen sind sehr weit verbreitet in Kraftfahrzeugen. Bei Bussen und Nutzfahrzeugen sowie deren Anhängern und Aufliegern ist ihr Marktanteil dominant. In Oberklassefahrzeugen der Automobilproduzenten gehören sie zum Stand der Technik. Die Systemvorteile dieser pneumatischen Federungslösungen sind:

  • – Unabhängigkeit der Aufbaueigenfrequenz vom Beladungszustand [6]
  • – weiche Federkennlinie mit progressiver Gestaltung hin zum Endanschlag
  • – flexible Gestaltung der Federkennlinie über die Wahl der Kontur des Abrollkolbens
  • – einfacher Niveauausgleich
  • – gute Geräuschentkopplung des Aufbaus gegenüber dem Fahrwerk
Pneumatic suspension systems and their applications are very widely used in motor vehicles. For buses and commercial vehicles and their trailers and semitrailers, their market share is dominant. In high-end vehicles of automobile manufacturers, they are state of the art. The system advantages of these pneumatic suspension solutions are:
  • - Independence of the body's own frequency from the loading condition [6]
  • - Soft spring characteristic with progressive design towards the end stop
  • - Flexible design of the spring characteristic via the choice of the contour of the rolling piston
  • - easy leveling
  • - Good noise isolation of the body compared to the chassis

Darüber hinaus kommen semiaktive Systeme zur Anwendung, Sie bewirken durch das Entkoppeln des Zusatzvolumens, über Steuerventile, eine Verhärtung der Kennlinie des pneumatischen Federungssystems für die Kurvenfahrt (z. B. Wankkompensation in [3]). Des Weiteren verfügen einige dieser Systeme ([3], [9], [10]) über die Möglichkeit der kontinuierlichen Veränderung der Dämpferkennlinie mittels elektronischer Ansteuerung zur Verbesserung des Fahrkomforts bei Überland- und Autobahnfahrten, sowie eine Verstärkung der Dämpfung [9] bei welligen Fahrbahnen.Furthermore come semi-active systems used, you effect by the Decoupling the additional volume, about Control valves, a hardening the characteristic of the pneumatic suspension system for cornering (eg roll compensation in [3]). Furthermore, some have of these systems ([3], [9], [10]) the possibility the continuous change the damper characteristic using electronic control to improve driving comfort in overland and highway driving, as well as an increase in damping [9] on undulating roads.

Nachteile pneumatischer Federungssysteme (Stand der Technik):Disadvantages of pneumatic Suspension systems (prior art):

Bei rein passiven Systemen neigt der Fahrzeugaufbau stärker zum Nicken und Wanken und Überschwingen auf Grund der weicheren Anbindung. Semiaktive Systeme erreichen eine Reduzierung der beschriebenen Nachteile, können aber z. B. keine Horizontierung bzw. Kurvenneigetechnik während der Kreis- bzw. Teilkreisfahrt realisieren.at purely passive systems, the vehicle body tends more strongly Nodding and wavering and overshooting due to the softer connection. Achieve semi-active systems a reduction of the disadvantages described, but can z. B. no leveling or curve tilting during the Realize circle or partial cycle.

Zur Verbesserung der Fahrsicherheit und des Fahrkomforts bieten sich aktive hydraulische Systeme zur Beeinflussung der Nick-, Wank- und Vertikalbewegung an, wie sie teilweise bei Feder/Dämpfersystemen in Automobilen der Oberklasse zur Anwendung [1] kommen.to Improved driving safety and driving comfort are offered Active hydraulic systems to influence the pitch, roll and vertical movement as partially used in spring / damper systems in automobiles of the upper class to the application [1] come.

Da reine aktive pneumatische Systeme hierfür sehr große Luftmassenströme benötigen, ist eine wirtschaftliche Realisierung über Kompressorlösungen zum gegenwärtigen Stand der Technik nur bedingt möglich.There pure active pneumatic systems for this very large air mass flows need is an economical realization about compressor solutions for current State of the art only conditionally possible.

Alternative Lösungen:Alternative solutions:

Aus DE 10045413A1 ist ein derartiges Federungssystem bekannt, das zur Erzeugung der am Fahrzeugaufbau benötigten Abstützkräfte ein pneumatisches Luftpolster nutzt.Out DE 10045413A1 Such a suspension system is known, which uses a pneumatic air cushion to generate the support forces required on the vehicle body.

Funktionsweise: Über einen externen Hydrospeicher wird ein zusätzliches Luftvolumen über eine Verbindungsleitung in das passive Pneumatikelement eingebracht. Ein vergleichbares Pneumatikvolumen wird gleichzeitig aus dem gegenüberliegenden pneumatischen Federelement (gleiche Fahrzeugachse) über die hydraulische Kopplung entnommen.How it works: About one external hydraulic accumulator is an additional volume of air via a connecting line introduced into the passive pneumatic element. A comparable one Pneumatic volume is simultaneously from the opposite pneumatic Spring element (same vehicle axle) via the hydraulic coupling taken.

Abgrenzung: Im Gegensatz zur vorgestellten Lösung handelt es sich hierbei um eine externe Aktuierung mittels Zusatzvolumen. Sie dient ausschließlich zur Wankkompensation des Fahrzeugaufbaus.delimitation: In contrast to the presented solution this is an external actuation by means of additional volume. It serves exclusively for roll compensation of the vehicle body.

Aus DE 4211628 A1 ist ein weiteres pneumatisches Federungssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, das ebenfalls über ein Luftpolster die Abstützung des Fahrzeugaufbaus realisiert.Out DE 4211628 A1 Another pneumatic suspension system for a motor vehicle is known, which also realizes the support of the vehicle body via an air cushion.

Funktionsweise: Die Zusatzkräfte für den Wankausgleich werden über eine Luftleitung in Verbindung mit einem kolbenaktuierten Zusatzvolumen erzeugt. Dieser Kolben wird hydraulisch horizontal angetrieben. Das Ölvolumen ist mechanisch mit einem parallelen System auf der gegenüberliegenden Achsseite gekoppelt, das ein inverses Verhalten im gegenüberliegenden Federelement bewirkt.Functionality: The additional forces for the roll compensation be over generates an air line in conjunction with a piston-actuated additional volume. This piston is hydraulically driven horizontally. The oil volume is mechanical with a parallel system on the opposite axis side coupled, which causes an inverse behavior in the opposite spring element.

Abgrenzung: Im Gegensatz zur vorgestellten Lösung handelt es sich hierbei um eine weitere Variante einer externen Aktuierung mittels Zusatzvolumen. Sie dient ausschließlich zur Wankkompensation des Fahrzeugaufbaus.delimitation: In contrast to the presented solution this is another variant of an external one Activation by means of additional volume. It is exclusively for Roll compensation of the vehicle body.

Aus DE 19804288 C1 ist ein weiteres aktives hydropneumatisches Federungssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, das an Stelle eines Plungerzylinders über eine ölgefüllte Schlauchrollbalg- oder Faltenbalglösung in Verbindung mit einer speziellen hydropneumatischen Feder arbeitet.Out DE 19804288 C1 For example, another active hydropneumatic suspension system for a motor vehicle is known which operates in place of a plunger cylinder via an oil-filled bellows or bellows solution in conjunction with a special hydropneumatic spring.

Funktionsweise: Die ölgefüllte Schlauchrollbalglösung ermöglicht einen translatorisch arbeitenden Kraftsteller. Die Dämpfung wird über die hydraulische Drossel und die Federung über den konventionellen Hydrospeicher und in Parallel schaltung mit dem Elastomerspeicher erreicht. Aktuiert wird über eine reversibel arbeitende Motorpumpeneinheit.Functionality: The oil-filled hose reel solution allows one translatorisch working force actuator. The damping is over the hydraulic throttle and the suspension via the conventional hydraulic accumulator and achieved in parallel circuit with the elastomeric memory. actuated will be over one Reversible motor pump unit.

Abgrenzung: Im Gegensatz zur vorgestellten Lösung handelt es sich hierbei um einem rein hydraulischen Steller und einen Motor- Pumpenaktor, der über die Drehrichtungsumkehr und der Drehzahländerung des Elektromotors die Ansprechdynamik realisiert.delimitation: In contrast to the presented solution this is a purely hydraulic actuator and a motor pump actuator that over the direction of rotation reversal and the speed change of the electric motor the Response dynamics realized.

Aus EP 0504717 B1 ist ein weiteres pneumatisches Federungssystem für ein Kraftfahrzeug bekannt, das über eine quasi statische Änderung der Federkennlinie arbeitet.Out EP 0504717 B1 is another pneumatic suspension system for a motor vehicle is known, which operates on a quasi-static change of the spring characteristic.

Funktionsweise: Das Pneumatikelement ist konstruktiv so gestaltet, das es teilweise mit einem Flüssigkeitsvolumen gefüllt ist, was während des Betriebes des Kraftfahrzeugs konstant ist. Eine Veränderung der Federsteifigkeit kann dadurch erreicht werden, dass die Flüssigkeitsfüllung des Pneumatikfederelements variiert wird.Functionality: The Pneumatikelement is structurally designed, which it partially with a liquid volume filled is what while the operation of the motor vehicle is constant. A change The spring stiffness can be achieved by the liquid filling of the Pneumatic spring element is varied.

Bei diesem Patent steht im Fokus das Zu- und Abschalten des Zusatzvolumens im Hinblick auf eine Wankkompensation des Fahrzeugaufbaus.at This patent focuses on switching the additional volume on and off with regard to roll compensation of the vehicle body.

Abgrenzung: Im Gegensatz zur vorgestellten Patentlösung handelt es sich hierbei um eine statische Lösung. Das Fluidvolumen innerhalb der Pneumatikfeder ist veränderbar, aber nicht während des Betriebs des Kraftfahrzeugs.delimitation: In contrast to the presented patent solution, this is a static solution. The fluid volume within the pneumatic spring is changeable, but not during the operation of the motor vehicle.

Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:

Der Erfindung (6) liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile heutiger pneumatischer Federungssysteme, das zu starke Wanken und Nicken des Fahrzeugaufbaus, bedingt durch die weiche Federkennlinie, zu begrenzen oder ganz auszuregeln. Gleichzeitig soll der bisher erreichte Fahrkomfort gesteigert werden unter der Prämisse der Einhaltung bzw. der Verbesserung der gegenwärtigen Fahrsicherheit bei möglichst ökonomischem Energieeinsatz.The invention ( 6 ) is based on the object to limit the disadvantages of today's pneumatic suspension systems, the excessive roll and pitching of the vehicle body due to the soft spring characteristic, or completely out. At the same time the ride comfort achieved so far should be increased under the premise of compliance or improvement of current driving safety with the most economical use of energy.

Lösung der Aufgabe:Solution of the task:

Die Aufgabe wird durch einen elastischen hydropneumatischen Steller (6 Pkt. 1) in Verbindung mit einer +/– schwenk- und verstellbaren Hydraulikpumpe (6 Pkt. 4) über die Merkmale des Patentanspruchs zu 1 gelöst. Dabei befinden sich die jeweiligen Stellmodule an jeder Fahrwerksfeder. Die Realisierung erfolgt durch einen elastischen, hydraulischen Steller mit der direkten Aktuierung des Gasraumes des Pneumatikelementes über das Verfahren der fluiden Verdrängung (internes Verdrängerprinzip). Der Antrieb der Hydraulikpumpe kann von einem separaten Elektromotor (6 Pkt. 5) oder unmittelbar von dem Verbrennungsmotor erfolgen. Über die Fahrzeugsensoren und deren technische Erfassung und Koordination der Fahrzeugbewegungen werden über die Informationsverarbeitung die notwendigen Zusatzkräfte berechnet und durch ein kaskadiertes Regelungssystem, die daraus resultierenden Volumenströme des jeweiligen autarken Hydrauliksystems gestellt.The object is achieved by an elastic hydro-pneumatic actuator ( 6 1) in conjunction with a +/- swiveling and adjustable hydraulic pump ( 6 Item 4) on the features of claim 1. The respective control modules are located on each suspension spring. The implementation is carried out by an elastic, hydraulic actuator with the direct actuation of the gas space of the pneumatic element via the method of fluid displacement (internal displacement principle). The drive of the hydraulic pump can be controlled by a separate electric motor ( 6 5) or directly from the internal combustion engine. About the vehicle sensors and their technical detection and coordination of vehicle movements are calculated on the information processing, the necessary additional forces and provided by a cascaded control system, the resulting flow rates of the respective self-sufficient hydraulic system.

Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:

Die Erfindung (6) hat folgende Vorteile:

  • 1. Die positiven Eigenschaften der pneumatischen Federung bleiben vollständig erhalten (siehe Stand der Technik).
  • 2. Je nach Regelungskonzept können die Systemfreiheitsgrade des Fahrzeugaufbaus, wie Huben, Nicken und Wanken, sowie ein lastunabhängiges Grundniveau der Einfederung beeinflusst bzw. vollständig kompensiert werden. Diese Maßnahmen dienen alle der Steigerung des Fahrkomforts bzw. der Fahrsicherheit des Kraftfahrzeugs.
  • 3. Über die Verwendung eines Stahlarmierungszinges (2 Pkt. 5), an dem sich die Balgwand des pneumatischen Federelements abrollen bzw. abstützen kann, wird es ermöglicht mit einem höheren Betriebsfederdruck zu arbeiten. Dieses hat den Vorteil, dass das Bauvolumen der Pneumatikfeder reduziert werden kann bei vergleichbarer Traglast. Die Auswirkung im geregelten Betrieb ist, dass ein geringeres Verdrängervolumen benötigt wird, was den Energieverbrauch absenkt.
  • 4. Zur weiteren Betriebsdrucksteigerung im Pneumatikfederelement wird die Kombination der Parallelschaltung zweier Pneumatikfederelemente mit gegensätzlicher Kraftwirkung in zwei Anwendungsbeispielen verwendet.
  • 5. Die Innenaktuierung mittels eines elastischen Schlauchringelastomers auf der Basis des fluiden Verdrängerprinzips kann auf Grund der gewählten technischen Konfiguration je nach Fahrzeugtyp bauvolumensparend ausgeführt werden.
  • 6. Die im 4-Quadrantenbetrieb +/– schwenk- und verstellbar arbeitende Hydraulikpumpe weist eine bessere Aktordynamik auf als standardisierte Steuerventillösungen mit Konstantpumpen oder die reversible Motor-Pumpeneinheit, die aus den Patenten DE 198 04288 C1 und DE 100 45 413 A1 bekannt ist.
  • 7. Der globale und modulare Systemaufbau ermöglicht eine einfache Systemerweiterung um lokale Stellglieder, z. B. Fahrzeug mit weiteren Achsmodulen, kann ohne eine Neuentwicklung der Systemplattform erweitert werden.
The invention ( 6 ) has the following advantages:
  • 1. The positive characteristics of the pneumatic suspension are completely retained (see prior art).
  • 2. Depending on the control concept, the system degrees of freedom of the vehicle body, such as lifting, pitching and rolling, as well as a load-independent base level of the spring deflection can be influenced or completely compensated. These measures all serve to increase the driving comfort and the driving safety of the motor vehicle.
  • 3. About the use of a steel reinforcement ring ( 2 Pkt. 5), on which the bellows wall of the pneumatic spring element can roll or support, it is possible to work with a higher operating spring pressure. This has the advantage that the construction volume of the pneumatic spring can be reduced with a comparable load. The effect in controlled operation is that a smaller displacement volume is needed, which lowers energy consumption.
  • 4. For further operating pressure increase in the pneumatic spring element, the combination of the parallel connection of two pneumatic spring elements with opposite force effect is used in two application examples.
  • 5. The Innenaktuierung by means of an elastic Schlauchringelastomers based on the fluid displacement principle can be carried out due to the selected technical configuration, depending on the vehicle type construction volume saving.
  • 6. The 4-quadrant operation +/- swivel and adjustable working hydraulic pump has a better actuator dynamics than standard control valve solutions with constant displacement pumps or the reversible motor-pump unit, from the patents DE 198 04288 C1 and DE 100 45 413 A1 is known.
  • 7. The global and modular system design allows for easy system expansion to include local actuators, e.g. B. vehicle with other axis modules can be extended without a new development of the system platform.

Zeichnungen:Drawings:

Die Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen (2 bis 7) dargestellt und in der nachfolgenden Abbildungsbeschreibung näher erläutert:
Anmerkung: Zur Verdeutlichung der wesentlichen Unterschiede in den jeweiligen Anwendungsbeispielen sind teilweise nur die eigentlichen Stellglieder abgebildet worden. Auf die Darstellung der Versorgungseinrichtung und die konstruktive Lage im Fahrzeug ist aus Gleichheitsgründen verzichtet worden.
The embodiments of the invention are shown in the drawings ( 2 to 7 ) and explained in more detail in the following image description:
Note: To clarify the main differences in the respective Anwendungsbeispie In some cases, only the actual actuators have been mapped. On the representation of the supply device and the structural position in the vehicle has been omitted for equality reasons.

2: Schematische Darstellung des Systemaufbaus der Radaufhängung mit einfacher aktiver Pneumatikfeder 2 : Schematic representation of the system structure of the suspension with simple active pneumatic spring

3: Schematische Darstellung eines Schlauchrollbalgs mit integriertem Schlauchring in der Balgwand. 3 : Schematic representation of a hose roll bellows with integrated hose ring in the bellows wall.

4: Schematische Darstellung einer ö1gefüllten Pneumatikfeder mit innenliegender pneumatischer Speicherblase 4 : Schematic representation of an oil filled pneumatic spring with internal pneumatic reservoir

5: Schematische Darstellung einer zweifachen Pneumatikfeder mit einer Schlauchringblase 5 : Schematic representation of a double pneumatic spring with a hose ring bladder

6: Schematische Darstellung des Systemaufbaus der Radaufhängung mit zweifacher aktiver Pneumatikfeder 6 : Schematic representation of the system structure of the suspension with dual active pneumatic spring

7: Schematische Darstellung eines Pneumatikfedermoduls mit zweifacher Schlauchringlösung und integriertem passiven Stoßdämpfer 7 : Schematic representation of a pneumatic spring module with double hose ring solution and integrated passive shock absorber

Beschreibung und Wirkungsweise der Ausführungsbeispiele:Description and mode of action of the embodiments:

Die vorliegende Erfindung hat den Anspruch in einem herkömmlichen Kraftfahrzeug, ein völliges neues, aktives, hydro-pneumtisches Federungssystem darzustellen. Im Vergleich zu einem passiven oder semiaktiven pneumatischen Federungssystem, wird die Nick- und Wankkompensation, sowie eine Vertikalregelung des Fahrzeugaufbaus ermöglicht. Für diesen aktiven Eingriff werden an den jeweiligen pneumatischen Federaggregaten Zusatzkräfte benötigt. Im vorliegenden Fall werden diese Zusatzkräfte durch die direkte fluide Veränderung, mittels eines hydraulischen Stellgliedes innerhalb des Pneumatikraumes des Luftfederelementes (Verdrängerprinzip, 2 Pkt. 6), erzeugt. Dabei wird ein hydraulisches Medium von einer +/– schwenk- und verstellbaren Hydraulikpumpe (2 Pkt. 4) angesaugt und in eine elastische Speicherblase (Stellglied, 2. Pkt. 6) gedrückt. Durch diesen Vorgang reduziert sich das Restvolumen für das gasförmige Medium in dem pneumatischen Federelement (2. Pkt. 5), mit der Folge, dass der Kammerdruck deutlich steigt. Technisch betrachtet erfolgt nicht nur eine Druckerhöhung sondern eine dynamische Verstellung der Federkennlinie des pneumatischen Federelements. Als Sollvorgabe wird eine Bandbreite bis 6 Hz Eckfrequenz angestrebt. Unter energetischen Gesichtspunkten hat die Innenaktuierung gegenüber der Außenaktuierung den Vorteil, dass keine Drosselverluste über Zuführungsleitungen entstehen.The present invention has the ambition in a conventional motor vehicle to represent a complete new active hydro-pneumatic suspension system. Compared to a passive or semi-active pneumatic suspension system, the pitch and roll compensation, as well as a vertical control of the vehicle body is made possible. For this active intervention additional forces are required at the respective pneumatic spring units. In the present case, these additional forces by the direct fluid change, by means of a hydraulic actuator within the pneumatic space of the air spring element (positive displacement principle, 2 Item 6). This is a hydraulic medium from a +/- swivel and adjustable hydraulic pump ( 2 4) and sucked into an elastic reservoir (actuator, 2 , Point 6). This process reduces the residual volume for the gaseous medium in the pneumatic spring element ( 2 , 5), with the result that the chamber pressure increases significantly. Technically, not only an increase in pressure but a dynamic adjustment of the spring characteristic of the pneumatic spring element takes place. The target value is a bandwidth up to 6 Hz corner frequency. From an energetic point of view, the internal actuation compared to the external actuation has the advantage that no throttle losses occur via supply lines.

Nachfolgend werden 5 skizzierte Anwendungslösungen vorgestellt und detailliert erläutert:following become 5 outlined application solutions presented and explained in detail:

Variante A1 (2):Variant A1 ( 2 ):

Als Anwendungsbeispiel ist der Systemaufbau einer Radaufhängung nach dem McPherson-Prinzip skizziert. Das Federdämpfermodul besteht aus einem konventionellen Einrohr- bzw. Zweirohrdämpfer und einem pneumatischen Federelement (5). Die Innenaktuierung dieses pneumatischen Federelements erfolgt mittels eines hydraulischen Schlauchringes (6). Innerhalb des pneumatischen Federelements z. B. Schlauchrollbalg (5) oder Faltenbalg wird über einen elastischen Schlauchringkörper (Stellglied, 6), gefüllt mit einem Hydrofluid, das Nennvolumen des Federelements (5) variiert. Der elastische Ringkörper (6) übernimmt dabei die Funktion des Komprimierens und Verdrängens des Gases in einen pneumatischen Restraum. Über diesen dynamischen Systemparameter wird die Federsteifigkeit des pneumatischen Federsystems, bzw. der Nenndruck des pneumatischen Polsters verändert, was eine Zusatzkraft bewirkt. Die im 4-Quadrantenbetrieb arbeitende +/– schwenk- und verstellbare Hydraulikpumpe (4) erzeugt die notwendige Verstelldynamik für eine derartige Aktuierung. Das angeschlossene 3/2 Wegeventil (3) beinhaltet die Möglichkeit zwischen zwei Kennlinien von Hydrospeichern (2) zu schalten, je nach Fahranforderungsprofil (z. B. sportlich oder komfortorientiert) des Fahrers. Dabei dienen diese Hydrospeicher (2) als Vorratsdepot für das fluide Medium und stellen des Weiteren über Ihre Vorspannung die hydraulisch notwendigen Systemkräfte in stationärer Ruhelage bereit. Die Pneumatikkammer (5) ist über eine entsprechende Leitung jeweils an eine Druckversorgung (11) angeschlossen. Nur im ruhenden Zustand des Kraftfahrzeugs erfolgt die Niveauregulierung über den pneumatischen Versorgungsweg. Das pneumatische Versorgungssystem (8 bis 11) wird in allen hier vorgestellten Varianten benötigt.As an application example, the system structure of a suspension according to the McPherson principle is outlined. The spring damper module consists of a conventional one-pipe or two-pipe damper and a pneumatic spring element ( 5 ). The internal actuation of this pneumatic spring element by means of a hydraulic hose ring ( 6 ). Within the pneumatic spring element z. B. Rolling bellows ( 5 ) or bellows is via an elastic hose ring body (actuator, 6 ), filled with a hydrofluid, the nominal volume of the spring element ( 5 ) varies. The elastic ring body ( 6 ) assumes the function of compressing and displacing the gas into a pneumatic residual space. This dynamic system parameter changes the spring stiffness of the pneumatic spring system, or the nominal pressure of the pneumatic cushion, which causes an additional force. The 4-quadrant operation +/- swiveling and adjustable hydraulic pump ( 4 ) generates the necessary Verstelldynamik for such Aktuierung. The connected 3/2 way valve ( 3 ) contains the possibility between two characteristic curves of hydraulic accumulators ( 2 ), depending on the driving requirement profile (eg sporty or comfort-oriented) of the driver. These hydraulic accumulators ( 2 ) as a storage depot for the fluid medium and also provide over their bias the hydraulically necessary system forces in stationary rest position ready. The pneumatic chamber ( 5 ) is in each case via a corresponding line to a pressure supply ( 11 ) connected. Only in the stationary state of the motor vehicle, the level control via the pneumatic supply path. The pneumatic supply system ( 8th to 11 ) is required in all variants presented here.

Zur redundanten Systemsicherung des Schlauchringzylinders (6) wird dieser mit einem metallischen oder faserverstärkten Netz in der Extremlage vor der Überdehnung gesichert. Diese Sicherung wird in allen dargestellten Schlauchringlösungen als Endanschlag verwendet.For redundant system protection of the hose ring cylinder ( 6 ) this is secured with a metallic or fiber-reinforced mesh in the extreme position before overstretching. This fuse is used as an end stop in all shown hose ring solutions.

Variante A2 (3):Variant A2 ( 3 ):

Diese Variante ist eine höherintegrierte Version von der Variante 1. Dazu ist der Schlauchringzylinder (2) in das Gewebe des Luftfederelements einvulkanisiert. Der Stahlarmierungsring (3) bewirkt die Abstützung, so dass der Druckstoß bei der Aktuierung der hydraulischen Ringblase innerhalb des Pneumatikvolumens erfolgt.This variant is a higher-integrated version of variant 1. For this purpose, the hose ring cylinder ( 2 ) vulcanized into the fabric of the air spring element. The steel reinforcement ring ( 3 ) causes the support, so that the pressure surge in the actuation of the hydraulic annular bladder within the Pneumatic volume takes place.

Variante A3 (4):Variant A3 ( 4 ):

In diesem Anwendungsbeispiel ist der Grundgedanke der Austausch der Medien innerhalb des pneumatischen Federelements. Das pneumatische wird gegen das hydraulische bzw. das hydraulische gegen das pneumatische Medium ausgetauscht. Dieses bedeutet, das pneumatische Federelement (1) ist mit dem hydraulischen Fluid gefüllt. Innerhalb des Fluides schwimmt eine pneumatische Speicherblase (Ringblase, 2). Eine Fixierung erfolgt über Nylonfäden (nicht dargestellt). Durch diese Bauform erfolgt eine allseitige Aktuierung des Pneumatikvolumens. Die Form und Ausgestaltung ist abhängig vom Anforderungsprofil des pneumatischen Federelements.In this application example, the basic idea is the replacement of the media within the pneumatic spring element. The pneumatic is replaced by the hydraulic or the hydraulic against the pneumatic medium. This means the pneumatic spring element ( 1 ) is filled with the hydraulic fluid. Within the fluid floats a pneumatic storage bubble (ring bubble, 2 ). A fixation via nylon threads (not shown). This design is an all-round actuation of the pneumatic volume. The shape and design depends on the requirement profile of the pneumatic spring element.

Variante A4 (5):Variant A4 ( 5 ):

Diese Variante wurde entwickelt zur Erhöhung des Systemdruckes innerhalb des Luftfederelements, zur Reduzierung des Energieaufwandes der Aktuierung und der konstruktiven kompakteren Gestaltung der geometrischen Form.These Variant was developed to increase the system pressure within the air spring element, to reduce the energy consumption of Aktuierung and the constructive more compact design of the geometric shape.

Der gemeinsame Abrollkolben (4) ist zwischen zwei entgegengesetzt parallel wirkenden Schlauchrollbälgen (5 u. 6) eingespannt. Über die Flächendifferenz am Abrollkolben (4) und die Druckunterschiede der beiden Pneumatikkammern wird die Differenzkraft für das tatsächliche Abstützen des Kraftfahrzeugs erzeugt. Funktionsorientiert handelt es sich hier um die Parallelschaltung zweier Pneumatikfedern mit entgegengesetzten Vorzeichen in Kraftrichtung.The common rolling piston ( 4 ) is between two oppositely parallel hose bladders ( 5 u. 6 ) clamped. About the surface difference at the rolling piston ( 4 ) and the pressure differences of the two pneumatic chambers, the differential force for the actual supporting the motor vehicle is generated. Functionally, this is the parallel connection of two pneumatic springs with opposite signs in the direction of force.

Das System ist wie folgt aufgebaut: Die beiden Pneumatikfedern stützen sich über den Flansch (3) am Fahrzeugaufbau ab. Über die Verbindungsbügel (9) werden die unteren Flanschkräfte (7) nach oben in den Aufbau eingeleitet. Zur Erzielung eines kompakten Aufbaus des Federelements, ist in dieser Anordnung eine ineinander greifende Kolbenform (4) gewählt worden. Dieses ausgewählte Prinzip ist gut geeignet für schwierige geometrische Einbaulagen. Nachteilig ist die nur begrenzt gestaltbare Kolbenkonturfläche. Die passive Beeinflussung der Federsteifigkeit ist durch diese Lösungsform sehr eng begrenzt. Es bleibt die aktive Beeinflussung über die Schlauchringblase (2) im oberen Pneumatikfederelement, das zu einem zusätzlichen Energieaufwand führt.The system is constructed as follows: The two pneumatic springs are supported by the flange ( 3 ) on the vehicle body. About the connection bracket ( 9 ), the lower flange forces ( 7 ) introduced upward into the structure. In order to achieve a compact construction of the spring element, in this arrangement an interlocking piston shape ( 4 ) has been chosen. This selected principle is well suited for difficult geometrical mounting positions. A disadvantage is the limited formable piston contour surface. The passive influence of the spring stiffness is very limited by this solution form. It remains the active influence on the hose ring bubble ( 2 ) in the upper pneumatic spring element, which leads to an additional energy expenditure.

Den Gestaltungsspielraum für das Ubersetzungsverhältnis über die Wahl der Kolbenflächen sind enge Grenzen gesetzt, auf Grund des Ineinandergreifens der beiden pneumatischen Federelemente. Zur Vermeidung von Reibkräften am ein- und ausgleitenden Abdichtelement der Kolbenstange wird als Lösung ein dritter Rollbalg (10) eingesetzt. Der Vorteil der gegeneinander arbeitenden Pneumatikfedern besteht darin, dass über diese gegenseitige Systemverspannung der Federelemente mit einem deutlich höheren Systemdruck in den jeweiligen Pneumatikkammern gearbeitet werden kann. Dieser Effekt begünstigt geringe Fluidvolumenströme für das interne Verdrängerprinzip. Die reduzierten Volumenströme wirken sich senkend auf den Energieverbrauch aus.The scope for the translation ratio on the choice of the piston surfaces are narrow limits, due to the intermeshing of the two pneumatic spring elements. To avoid frictional forces on the inlet and outlet sealing element of the piston rod, the solution is a third rolling bellows (US Pat. 10 ) used. The advantage of working against each other pneumatic springs is that can be worked on this mutual system distortion of the spring elements with a significantly higher system pressure in the respective pneumatic chambers. This effect favors low fluid flow rates for the internal displacement principle. The reduced volume flows have a negative effect on energy consumption.

Variante A5 (6):Variant A5 ( 6 ):

Diese Variante ist eine Weiterentwicklung der Variante A5 in Bezug auf konstruktiven Aufbau und Funktionalität. In 6 ist der Systemaufbau der Radaufhängung mit zweifacher aktiver Pneumatikfeder ersichtlich.This variant is a further development of the variant A5 in terms of structural design and functionality. In 6 shows the system structure of the suspension with dual active pneumatic spring.

Aus Übersichtlichkeitsgründen ist der Systemaufbau der Pneumatikfeder der Variante A5 (6) durch die Detailansicht (7) dargestellt.For reasons of clarity, the system structure of the pneumatic spring variant A5 ( 6 ) through the detail view ( 7 ).

Durch die Parallelanordnung der beiden Pneumatikfedern (7 Pkt. 1 u. 7 Pkt. 6) wird mehr konstrukiver Bauraum in der Vertikalen benötigt. Steht dieser Platz zur Verfügung, so ist eine optimale Gestaltung der Kolbenkonturflächen (7 Pkt. 4) und des Übersetzungsverhältnisses (Kolbenflächen) möglich. Ein weiteres Unterscheidungskriterium zur Variante A4 ist die Aktuierung der zweiten Pneumatikfeder (7 Pkt. 7). Je nach Förderrichtung der +/– schwenk- und verstellbaren Hydraulikpumpe (7 Pkt. 5) wird einer der pneumatischen Räume aktuiert und der gegenüberliegende Raum dient als Fluidreservoir. Dabei erfolgt eine Druckabsenkung in dem Raum des Fluidreservoirs, was energetisch betrachtet die verspannte Lösung im Hinblick auf den Energieverbrauch positiv beeinflusst. Als Besonderheit dieses Systems kommt zum Tragen, dass der Schlauchring (7 Pkt. 7) doppelte Funktion aufweist als Steller und als Fluidspeicher. Das 3/2 Wegventil (7 Pkt. 3) beinhaltet die Möglichkeit der Erweiterung der Basisfunktionalität durch die Option zusätzlich Fluidvolumen aus einem Hydrospeicher (7 Pkt. 2) in das hydraulische System einzuführen oder abzugeben. Damit kann eine Fahrzeuggrundniveauänderung oder Systemdruckveränderung erzielt werden.Due to the parallel arrangement of the two pneumatic springs ( 7 Pt. 1 u. 7 Pkt. 6) more constructive space in the vertical is needed. If this space is available, then an optimal design of the piston contour surfaces ( 7 Pkt. 4) and the transmission ratio (piston surfaces) possible. Another distinguishing criterion for variant A4 is the actuation of the second pneumatic spring ( 7 Point 7). Depending on the direction of the +/- swiveling and adjustable hydraulic pump ( 7 5) one of the pneumatic spaces is actuated and the opposite space serves as a fluid reservoir. In this case, a pressure reduction takes place in the space of the fluid reservoir, which, in terms of energy, positively influences the tensioned solution in terms of energy consumption. A special feature of this system is that the hose ring ( 7 Pkt. 7) has dual function as a regulator and as a fluid reservoir. The 3/2 way valve ( 7 3) includes the option of extending the basic functionality by the option of additional fluid volume from a hydraulic accumulator ( 7 2) into the hydraulic system or deliver. Thus, a vehicle base level change or system pressure change can be achieved.

Für das Einprägen zusätzlicher Systemdämpfung besteht eine Verbindungsleitung zwischen den beiden Pneumatikvolumen, die eine Gasdrossel (7 Pkt. 10) beinhaltet. Der höhere System druck der beiden Luftfederelemente begünstigt den Einsatz der Gasdrossel. Dabei werden die Gasvolumenströme gedrosselt und die Gasschwingungen bedämpft. Je nach Einsatzfall können konstante oder variable Gasdrosseln (7 Pkt. 10) Verwendung finden. Je nach Anforderungsprofil des Produzenten könnte auf die Parallelschaltung eines passiven Öldämpfers (7 Pkt. 9) bzw. auf die Verbindungsleitung mit verstellbarer Rohrdrossel (7. Pkt. 10) im Einzelfall verzichtet werden.For impressing additional system damping there is a connecting line between the two pneumatic volumes, which is a gas throttle ( 7 Item 10). The higher system pressure of the two air spring elements favors the use of the gas throttle. The gas volume flows are throttled and the gas vibrations are damped. Depending on the application, constant or variable gas throttles ( 7 Pt. 10). ever according to the requirement profile of the producer, the parallel connection of a passive oil damper ( 7 Point 9) or on the connecting line with adjustable pipe throttle ( 7 , Item 10) in individual cases.

Für den herkömmlichen Einbau in die McPherson-Radaufhängung ist der Konturkolben (7 Pkt. 4) so gestaltet, dass er den Durchgang der Dämpferkolbenstange gewährleistet und sich im Fußbereich auf das Dämpferaußenrohr (7 Pkt. 9) stützt zur Aufbringung der Stellkräfte. Die Abdichtung der zweiten Pneumatikkammer (7 Pkt. 6) erfolgt durch die Schlauchrollbalgabdichtung (7 Pkt. 8) unmittelbar am Dämpferrohr (7 Pkt. 9). Falls der Dämpfer entfällt, dann würde an dieser Stelle eine Kolbenstange benötigt.For conventional McPherson suspension, the contour piston ( 7 4) designed so that it ensures the passage of the damper piston rod and in the foot area on the damper outer tube ( 7 Item 9) supports the application of the actuating forces. The sealing of the second pneumatic chamber ( 7 Pkt. 6) takes place through the hose roll seal ( 7 8) directly on the damper tube ( 7 Point 9). If the damper is omitted, then a piston rod would be needed at this point.

Je nach Verwendung eines pneumatischen Mediums, dass auf Grund von Moleküleigenschaften durch die Balgwände der Pneumatikfederelemente diffundieren kann, wird eine bordeigene Pneumatikversorgung (6 Pkt. 8 bis 11) oder im Rahmen der Routineinspektion fremde Versorgung benötigt. Geringe Teilverluste können über den Hydrospeicher (6 Pkt. 2), durch Erhöhung des Fluidvolumens im Kreislauf ausgeglichen werden.Depending on the use of a pneumatic medium that can diffuse due to molecular properties through the bellows walls of the pneumatic spring elements, an on-board pneumatic supply ( 6 Pts. 8 to 11) or foreign supply during the routine inspection. Low partial losses can be achieved via the hydraulic accumulator ( 6 2), can be compensated for by increasing the volume of fluid in the circuit.

Anmerkungen:Remarks:

Die in den Abbildungen dargestellten zylindrischen Abrollgeometrien der Kolbenformen, (konkave bzw. konvexe Formen) sind beispielhaft für die jeweiligen Lösungen angegeben worden.The in the figures shown cylindrical Abrollgeometrien the piston shapes, (concave or convex shapes) are exemplary for the respective solutions been specified.

Eine konkrete Formgebung kann nur im Rahmen einer Fahrwerksauslegung, basierend auf das Anforderungsprofil des Produftraggebers hin, entwickelt werden.A Concrete shaping can only be done as part of a chassis design, based on the requirement profile of the customer become.

Der für die Verstellung notwendige positive oder negative hydraulische Volumenstrom wird in allen hier vorgestellten Anwendungsbeispielen von einer im 4-Quadrantenbetrieb +/– schwenk- und verstellbaren arbeitenden Hydraulikpumpen/Motor-Speicher-Ventileinheit erzeugt. Dabei soll eine verstellbare Schwenk- bzw. Axialkolbenpumpe mit stufenloser Volumenverstellung Verwendung finden. Als Besonderheit der Pumpe ist das Verschwenken durch den Nulldurchgang, so dass die Saug- und Druckseite nicht genau definiert ist. In der Bauform kann sie als direkt geflanschte Version mit einem Elektromotor oder eine einer vollständigen unter Öl betriebenen Version zur Anwendung kommen. Die Drehrichtung des Elektromotors ist nicht reversierbar aber in der Drehzahl regelbar. Das Patent DE 19840791 A1 , das sich auf eine im 4-Quadrantenbetrieb arbeitende Flügelzellenpumpe bezieht, wird nicht berührt.The necessary for the adjustment positive or negative hydraulic flow is generated in all of the application examples presented here by a 4-quadrant operation +/- swiveling and adjustable working hydraulic pumps / engine storage valve unit. An adjustable swivel or axial piston pump with stepless volume adjustment should be used. As a special feature of the pump is the pivoting through the zero crossing, so that the suction and pressure side is not well defined. In the design, it can be used as a directly flanged version with an electric motor or a full oil-powered version. The direction of rotation of the electric motor is not reversible but adjustable in speed. The patent DE 19840791 A1 relating to a 4-quadrant vane pump is not affected.

Einfache Lösungen zur Bereitstellung der Volumenströme über hydraulische Standardkomponenten (Pumpen- oder Ventillösungen) sind prinzipiell anwendbar, bieten aber ein geringeres dynamisches Ansprechverhalten. Diese Anwendungsoption wird von dem hier beschriebenen Patent mit abgedeckt.easy solutions for providing the volume flows via standard hydraulic components (Pump or valve solutions) are in principle applicable, but offer a lower dynamic Response. This application option is the one described here Patent covered.

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Claims (7)

Aktives pneumatisches Federungssystem für ein Kraftfahrzeug, das an jeder Fahrzeugachse und an jeder Fahrzeugseite ein pneumatisches Federelement (7 Pkt. 5.) mit Pneumatikpolster aufweist, mit dem der Fahrzeugaufbau über eine mechanische Wirkkette über das Fahrzeugrad auf der Fahrbahn abgestützt wird. Die Abstützkräfte, die zwischen Fahrzeugrad und Aufbau wirken, werden dabei von dem pneumatischen Federelement aufgebracht und übertragen. Das pneumatische Federelement ist dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatische Raum mit einem Gas gefüllt ist und durch ein fluides Medium (Verdrängerprinzip (7 Pkt. 6)) komprimiert oder entspannt werden kann. Zur Trennung des gasförmigen und des fluiden Mediums eignen sich Ringschlauch-, Membran- oder Kolbenflächenlösungen. Der veränderbare interne Fluidraum (im Federungselement) ist verbunden mit einer im 4-Quadrantenbetrieb +/– schwenk- und verstellbaren Hydraulikpumpe (7 Pkt. 4). Diese kann wahlweise von einer Elektromotoreinheit (7 Pkt. 1) oder unmittelbar vom einem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Die reversible und verstellbare Hydraulikpumpe (7 Pkt. 4) wird über ein 3/2 Wegeventil (7 Pkt. 3) von einem vorgespannten Druckspeicher (7 Pkt. 2) gespeist. Das Patent und dessen Ansprüche sind verbindlich, wenn die Speisung des hydraulischen Teils von einfachen Pumpenbauformen oder von Ventillösungen erfolgt. Diese Art der Aktuierung dient der Beeinflussung des Fahrzeugaufbaus bezogen auf das Nicken, Wanken und Huben, als gemeinsame oder einzelne Beeinflussung.Active pneumatic suspension system for a motor vehicle, which has on each vehicle axle and on each side of the vehicle a pneumatic spring element ( 7 Point 5.) with pneumatic cushion, with which the vehicle body is supported via a mechanical chain of action on the vehicle on the road. The support forces acting between the vehicle and the structure are applied and transmitted by the pneumatic spring element. The pneumatic spring element is characterized in that the pneumatic space is filled with a gas and by a fluid medium (Verdrängerprinzip ( 7 Pkt. 6)) can be compressed or relaxed. To separate the gaseous and the fluid medium are Ringschlauch-, membrane or piston surface solutions. The variable internal fluid space (in the suspension element) is connected to a 4-quadrant operation +/- swivel and adjustable hydraulic pump ( 7 Point 4). This can optionally by an electric motor unit ( 7 Pkt. 1) or driven directly by an internal combustion engine. The reversible and adjustable hydraulic pump ( 7 4) is connected via a 3/2 way valve ( 7 3) from a prestressed accumulator ( 7 2). The patent and its claims are binding if the supply of the hydraulic part of simple pump designs or valve solutions. This type of actuation is used to influence the vehicle body based on the pitch, roll and Huben, as a joint or individual influence. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel geschaltete Pneumatikfederelemente (7 Pkt. 1. u. Pkt. 6) gegeneinander wirken und wahlweise über eine Schlauchringlösung (7 Pkt. 7) als Stellglied aktuiert werden können.Suspension system according to claim 1, characterized in that two parallel-connected pneumatic spring elements ( 7 Point 1. u. Pkt. 6) against each other and optionally via a hose ring solution ( 7 Pkt. 7) can be actuated as an actuator. Federungssystem nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Stellglieder über eine reversible und verstellbare Hydraulikpumpe (7 Pkt. 5) aktuiert werden.Suspension system according to claim 1 to 2, characterized in that the hydraulic actuators via a reversible and adjustable hydraulic pump ( 7 Item 5). Federungssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das parallel geschaltete zweifache pneumatische Federelement (7) wechselseitig aktuiert werden kann. Dabei befindet sich der hydraulische Aktor, eine reversible und verstellbare Hydraulikpumpe (7 Pkt. 5) bzw. Standardhydraulikpumpe in der Verbindungsleitung der beiden Stellglieder (7 Pkt. 7).Suspension system according to claim 1 to 3, characterized in that the parallel-connected double pneumatic spring element ( 7 ) can be mutually actuated. Here is the hydraulic actuator, a reversible and adjustable hydraulic pump ( 7 5) or standard hydraulic pump in the connecting line of the two actuators ( 7 Point 7). Federungssystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der hydraulischen Verbindungsleitung für das parallel geschaltete, zweifache, pneumatische Federelement (7) zur Hydraulikpumpe (7. Pkt. 5) zusätzlich noch ein Steuerventil (7 Pkt. 3) in Verbindung mit einem Membran- (7 Pkt. 2) oder einem Kolbenspeicher befindet. Dieses bewirkt die zusätzliche Bereitstellung oder Aufnahme von fluiden Volumenmengen für das autarke Hydrauliksystem.Suspension system according to claim 1 to 4, characterized in that in the hydraulic connecting line for the parallel, double, pneumatic spring element ( 7 ) to the hydraulic pump ( 7 , Pkt. 5) additionally a control valve ( 7 3) in conjunction with a membrane ( 7 2) or a piston accumulator. This causes the additional provision or recording of fluid volumes for the self-sufficient hydraulic system. Federungssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gegeneinander arbeitenden pneumatischen Federelemente über eine pneumatische Verbindungsleitung miteinander verbunden sind und über eine verstellbare Pneumatikdrossel (7 Pkt. 10) zur Systemdämpfung führen.Suspension system according to claim 1 to 5, characterized in that the mutually-working pneumatic spring elements are connected to each other via a pneumatic connecting line and via an adjustable pneumatic throttle ( 7 10) for system damping. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied als Schlauchringblase (4 Pkt. 7) ausgebildet ist und deren Sicherung gegen Materialüberdehnung durch ein Nylon-, Ketten- oder andersartiges Netz gesichert ist.Suspension system according to claim 1, characterized in that the actuator as a hose ring ( 4 Pkt. 7) is formed and whose security is secured against material overstretching by a nylon, chain or other type network.
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