DE10329432A1

DE10329432A1 - Aktives Federungssystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10329432A1
Application number: DE2003129432
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Altsinger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-01-20

Abstract

Ein aktives Federungssystem für ein Kraftfahrzeug umfasst Luft- bzw. Gasfedern (2) zur passiven Abstützung der statischen Lasten, Stelleinrichtungen (4), die den Luft- bzw. Gasfedern (2) parallel geschaltet sind, zur aktiven Abstützung der dynamischen Lasten, und eine Steuereinrichtung (5), die in Abhängigkeit erfasster Fahrzeugparameter und/oder vom Fahrer eingegebener Befehle Stellsignale für die Stelleinrichtungen (4) und/oder die Luft- bzw. Gasfedern (2) erzeugt. Damit wird eine aktive Komfortfederung geschaffen, welche durch die Verknüpfung von sehr weichen Luftfedern (2) mit schnellen dynamischen Stelleinrichtungen (4) einen sehr hohen Federungskomfort ermöglicht und über die aktiven Stelleinrichtungen (4) eine dynamische, vollaktive Fahrzeugstabilisierung gewährleistet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Fahrzeugfederung mit Gas- bzw. Luftfedern. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein aktives Federungssystem für ein Kraftfahrzeug.
Unter aktiven Systemen werden hier solche verstanden, bei denen für die Erzeugung einer Feder- und/oder Dämpferkraft Energie aufgewendet wird, um das Schwingungsverhalten zu beeinflussen. Passive Systeme arbeiten hingegen ohne gezielte Energiezufuhr und reagieren lediglich auf die äußeren Gegebenheiten. Dies schließt nicht aus, dass auch in passiven Systemen eine Beeinflussung des dynamischen Verhaltens vorgenommen wird. Jedoch wird dem schwingenden System dabei keine Energie zugeführt. So kann beispielsweise in herkömmlichen Schwingungsdämpfern die Dämpferkennlinie durch das Öffnen oder Schließen von Überströmkanälen verändert werden, ohne dass damit ein Energieeintrag in den Dämpfer erfolgt.

Die vorliegende Erfindung geht von herkömmlichen Luftfederungen aus. Entsprechende Federungssysteme wurden bislang vorwiegend in Nutzfahrzeugen eingebaut, finden nunmehr aber auch verstärkt Eingang in Personenkraftfahrzeuge und hier vor allem in Fahrzeuge der Oberklasse und in Off-Road-Fahrzeuge.

Vorteil einer Luft- bzw. Gasfederung ist die weitgehend unabhängige Eigenfrequenz sowie die Möglichkeit einer einfach zu verwirklichenden Niveauregulierung. Zudem kann eine weiche Federung realisiert werden, die für einen hohen Federungskomfort im Bereich von etwa 1 bis 4 Hz vorteilhaft ist und ein gutes Schluckverhalten aufweist. Der verstärkten Wankneigung in Kurven oder auch einer Nickneigung beim Bremsen muss im Hinblick auf hohe Komfortansprüche durch Zusatzmaßnahmen begegnet werden. Höherfrequente Anregungen können durch das Abrollen über kleinere Unebenheiten und Bodenwellen entstehen und den Komfort ebenfalls beeinflussen.

Bei Luft- und Gasfedern besteht jedoch das Problem, dass aufgrund der Kompressibilität des Mediums eine schnelle Aktorik an den Federn selbst nicht möglich ist. Herkömmliche Kraftfahrzeug-Luftfederungen sind beispielsweise aus der DE 198 53 426 A1 und der DE 100 04 880 A1 bekannt. Andere Federungssysteme wie zum Beispiel hydropneumatische Systeme besitzen hingegen ein schlechtes Anfederungsverhalten und versteifen bei zunehmender Beladung.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Federungssystem mit Luft- bzw. Gasfedern im Hinblick auf den Federungskomfort weiter zu verbessern. Zielsetzung ist hierbei insbesondere die Aufrechterhaltung einer möglichst weichen Auslegung der Federn in Verbindung mit einer hochdynamischen Fahrzeugstabilisierung.

Die Erfindung schlägt hierzu ein aktives Federungssystem für ein Kraftfahrzeug nach dem Patentanspruch 1 vor, bei dem Luft- bzw. Gasfedern zur passiven Abstützung der statischen Lasten eingesetzt werden und zusätzlich den Luft- bzw. Gasfedern parallel geschaltete Stelleinrichtungen vorgesehen sind, welche die dynamischen Lasten aktiv abstützen, und zwar unter der Kontrolle einer Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit erfasster Fahrzeugparameter und/oder vom Fahrer eingegebener Befehle Stellsignale für die Stelleinrichtungen und/oder die Luft- bzw. Gasfedern erzeugt.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen aktiven Federungssystems für ein Kraftfahrzeug.
Das Ausführungsbeispiel zeigt ein aktives Federungssystem für ein Personenkraftfahrzeug, bei dem die Fahrzeugräder 1 jeweils über eine Gasfeder, insbesondere eine Luftfeder 2 gegen die Fahrzeugkarosserie 3 abgestützt sind. Parallel zu jeder Luftfeder 2 ist eine Stelleinrichtung 4 vorgesehen. Eine Steuereinrichtung 5 erzeugt in Abhängigkeit erfasster Fahrzeugparameter und/oder vom Fahrer eingegebener Befehle Stellsignale für die Stelleinrichtungen 4 und/oder die Luftfedern 2. Die Steuereinrichtung 5 ist dabei so ausgelegt, dass die Luft- bzw. Gasfedern 2 die statischen Lasten passiv abstützen, also das Fahrzeuggewicht und eine etwaige Zuladung tragen, wohingegen die Stelleinrichtungen 4 der aktiven Abstützung der dynamischen Lasten dienen. Letztere werden lediglich im Bedarfsfall aktiviert, so dass das Fahrzeug im nicht-aktivierten Zustand der Stelleinrichtungen 4 allein auf den Luftfedern 2 gelagert ist. Dies hat den Vorteil, dass der Energieaufwand für die Stelleinrichtungen 4 gering bleibt, da Beladungsveränderungen bei der Ansteuerung der Stelleinrichtungen 4 nicht berücksichtigt werden.
Auf diese Weise lassen sich die Luftfedern 2 mit einer niedrigen Federsteifigkeit sehr weich auslegen. Dabei kann die von dem Luftkissen der Luftfeder 2 verursachte Federsteifigkeit, abgesehen von Reibeffekten praktisch auf Null reduziert werden. Im Fahrbetrieb auftretende dynamische Lasten werden allein oder jedenfalls überwiegend von den Stelleinrichtungen 4 kompensiert, die hierzu über eine hinreichend schnelle Aktorik verfügen. Insbesondere kommen für die Stelleinrichtungen 4 hydraulische Steller, z. B. in Form der hier dargestellten Zylinderkolbenanordnung 6 mit vorgelagerter, schaltbarer Druckversorgungseinrichtung 7 in Frage, wie auch elektromechanische Steller, die beispielsweise als Linearmotoren ausgebildet sein können. Hinreichend schnell ist eine Aktorik dann, wenn sie geeignet ist, den Radeigenfrequenzen in der Größenordnung von etwa 15 bis 17 Hz zu begegnen. Es genügt daher, wenn die Stelleinrichtungen 4 in einem Frequenzbereich von 0 bis 20 Hz arbeiten. Die niederfrequenteren Wank- und Nickschwingungen in der Größenordnung von 1 bis 2 Hz sowie die Schwingungen der Reifenfedern in der Größenordnung von 3 bis 4 Hz werden mit diesen Stelleinrichtungen 4 ebenfalls erfasst.
Um einen guten Komfort zu gewährleisten, wird normalerweise eine Federung mit hoher Flexibilität und geringer Dämpfung, d. h. eine weiche Fahrwerkabstimmung angestrebt. Für eine gute Straßenlage ist hingegen eine weniger flexible Federung mit hoher Dämpfung wünschenswert, um das Handling des Fahrzeugs zu verbessern. Das Fahrwerk fühlt sich dann straffer an. Über die Ansteuerung der Stelleinrichtungen 4 lässt sich dies in gewünschter Art und Weise einstellen. Dennoch kann jeder Kombination aus einer Luftfeder 2 und einer Stelleinrichtung 4 zusätzlich ein hier nicht näher dargestellter Schwingungsdämpfer funktional parallelgeschaltet werden.
Zur Versorgung der Luftfedern 2 dient eine pneumatische Druckversorgungseinrichtung 8, die einen Kompressor und mindestens einen Druckspeicher 9 umfasst. Über die Steuereinrichtung 5 ansteuerbare Ventile 10 ermöglichen es, die Gaszufuhr zu den Luftfedern 2 – gegebenenfalls auch individuell – einzustellen. Insbesondere kann über diese Ventile 10 eine Niveauregulierung des Fahrzeugs erfolgen.
In der elektronischen Steuereinrichtung 5 laufen die für die Ansteuerung der Luftfedern 2 und Stelleinrichtungen 4 benötigten Informationen zusammen. Nach abgelegten Auswertungskriterien werden in dieser Stellsignale für das Fahrwerk bzw. dessen Komponenten generiert. So umfasst die Steuereinrichtung 5 u. a. Mittel zur Niveauregulierung, welche in Abhängigkeit erfasster Istzustandsinformationen sowie einer fahr- und/oder fahrerbefehlszustandsabhängigen Sollvorgabe für das Fahrzeugniveau die Stellsignale für die Druckversorgung der Luftfedern 2 beeinflussen. Als Eingabeinformationen dienen unter anderem Signale von Sensoren, welche die Bestimmung des Fahrzeugniveaus in bezug auf eine Fahrbahn erlauben, wie z. B. Höhensensoren 11 an den einzelnen Luftfedern 2 oder Stelleinrichtungen 4. Neben den genannten Informationen können selbstverständlich weitere, das Fahrverhalten kennzeichnende Informationen in der Steuereinrichtung 5 ausgewertet werden. Unter anderem sind dies die Fahrgeschwindigkeit, das Beschleunigung- und Verzögerungsverhalten, ein Lenkeinschlag, Wank-, Gier- oder Kippwinkel und dergleichen.
Weiterhin können in der Steuereinrichtung 5 vom Fahrer eingegebene Befehle ausgewertet und bei der Erzeugung der Stellsignale berücksichtigt werden. Geeignete Eingabevorrichtungen 12, 13 erfassen beispielsweise einen Fahrerwunsch für den Fahrwerkszustand zwischen einer weichen und einer harten Abstimmung oder für das Fahrzeugniveau. Denkbar ist weiterhin, auf eine fahrerseitige Eingabe ganz oder teilweise zu verzichten und die "fehlenden" fahrerseitigen Befehlsvorgaben aus dem Fahrverhalten des Fahrzeugs, das heißt der Auswertung der oben bereits genannten Informationen abzuleiten. In entsprechender Art und Weise können die aus dem Fahrverhalten abgeleiteten Informationen auch dazu dienen, in kritischen Situationen die vom Fahrer gewählten Einstellungen zu übergehen und so automatisch einen für die Fahrsicherheit und Betriebssicherheit des Fahrzeugs günstigen Zustand einzustellen.
In Abwandlung des Ausführungsbeispiels können anstelle der Luftfedern 2 auch sehr weiche Stahlfedern eingesetzt werden, deren Federsteifigkeit kleiner oder gleich 20 N/mm ist.
Damit wird eine aktive Komfortfederung geschaffen, welche durch die Verknüpfung von sehr weichen Luftfedern 2 mit schnellen dynamischen Stelleinrichtungen 4 einen sehr hohen Federungskomfort ermöglicht und über die aktiven Stelleinrichtungen 4 eine dynamische, vollaktive Fahrzeugstabilisierung gewährleistet.

1: Fahrzeugrad
2: Luftfeder
3: Fahrzeugaufbau
4: Stelleinrichtung
5: Steuereinrichtung
6: Zylinderkolbenanordnung
7: hydraulische Druckversorgungseinrichtung
8: pneumatische Druckversorgungseinrichtung
9: Kompressor + Druckspeicher
10: Ventil
11: Höhensensor
12: erste Eingabevorrichtung
13: zweite Eingabevorrichtung
14: Anschlagpuffer

Claims

Aktives Federungssystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend: – Luft- bzw. Gasfedern (2) zur passiven Abstützung der statischen Lasten, – Stelleinrichtungen (4), die den Luft- bzw. Gasfedern (2) parallel geschaltet sind, zur aktiven Abstützung der dynamischen Lasten, und – eine Steuereinrichtung (5), die in Abhängigkeit erfasster Fahrzeugparameter und/oder vom Fahrer eingegebener Befehle Stellsignale für die Stelleinrichtungen (4) und/oder die Luft- bzw. Gasfedern (2) erzeugt.
Aktives Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtungen (4) als hydraulische Steller ausgebildet sind.
Aktives Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtungen (4) als elektromechanische Steller ausgebildet sind.
Aktives Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtungen (4) in einem Frequenzbereich von 0 bis 20 Hz arbeiten.
Aktives Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin Schwingungsdämpfer zur Abstützung jeweils eines Fahrzeugrades (1) gegen die Fahrzeugkarosserie funktional parallel zu den Luft- bzw. Gasfedern (2) vorgesehen sind.
Aktives Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Luftfedern (2) Elastomerkörper als Anschlagpuffer (14) vorgesehen sind.
Aktives Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingabevorrichtung (12) zum Erfassen eines Fahrerwunsches für den Fahrwerkszustand vorgesehen ist, welche bei Betätigung ein den Fahrerwunsch repräsentierendes Signal an die Steuereinrichtung (5) übermittelt, und die Steuereinrichtung (5) dieses Signal bei der Stellsignalerzeugung berücksichtigt.
Aktives Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingabevorrichtung (13) zum Erfassen eines Fahrerwunsches für das Fahrzeugniveau vorgesehen ist, welche bei Betätigung ein den Fahrerwunsch repräsentierendes Signal an die Steuereinrichtung (5) übermittelt, und die Steuereinrichtung (5) dieses Signal bei der Stellsignalerzeugung berücksichtigt.
Aktives Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (11) zur Bestimmung des Fahrzeugniveaus in bezug auf eine Fahrbahn vorgesehen sind, und dass die Steuereinrichtung (5) Mittel zur Niveauregulierung aufweist, welche in Abhängigkeit der von den Sensoren (11) erhaltenen Signale sowie einer fahr- und/oder befehlszustandsabhängigen Vorgabe für das Fahrzeugniveau die Stellsignale für die Druckversorgung der Luft- bzw. Gasfedern (2) beeinflussen.
Aktives Federungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Luft- bzw. Gasfedern (2) weiche Stahlfedern mit einer anfänglichen Federsteifigkeit von bis zu 20 N/mm vorgesehen sind.