DE10348580B4

DE10348580B4 - Passive gas suspension system for a motor vehicle

Info

Publication number: DE10348580B4
Application number: DE2003148580
Authority: DE
Inventors: Michael Eichler; Dr. Lion Alexander; Rainer Schuller; Ulrich Sonnak
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: DE10348580A1

Abstract

Passives Gasfederungssystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend Gasfedern mit jeweils einer Hauptkammer (3) und einer separaten Zusatzkammer (4), sowie einem diese verbindenden frequenzselektiven Verbindungskanal (5), welcher derart auf die Volumina der Hauptkammer (3) und der Zusatzkammer (5) abgestimmt ist, dass bei Resonanzschwingungen des Arbeitsgases Aufbau- oder Fahrwerksschwingungen gedämpft werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur frequenzselektiven Abstimmung in dem Verbindungskanal (5) eine Drosselblende oder Düse (6, 7) mit einem gegenüber dem Verbindungskanal verringerten Öffnungsquerschnitt vorgesehen ist.Passive gas suspension system for a motor vehicle, comprising gas springs each having a main chamber (3) and a separate additional chamber (4), and a frequency-selective connecting channel (5) connecting them, which tuned to the volumes of the main chamber (3) and the additional chamber (5) is that at resonant vibrations of the working gas structure or suspension vibrations are damped, characterized in that the frequency-selective tuning in the connecting channel (5) an orifice (6, 7) is provided with a relation to the connecting channel reduced opening cross-section.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein passives Gasfederungssystem für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Gasfederungssysteme umfassen Gas- bzw. Luftfedern, über welche der Fahrzeugaufbau gegen das Fahrwerk abgestützt wird.The invention relates to a passive gas suspension system for a motor vehicle according to the preamble of claim 1. Gas suspension systems include gas or air springs, via which the vehicle body is supported against the chassis.

Im Unterschied zu Federungssystemen mit Schraubenfedern wird die Federfunktion durch eine gasgefüllte Hauptkammer übernommen. Hierdurch lässt sich das Fahrdynamik- und Komfortverhalten von Kraftfahrzeugen besonders wirkungsvoll optimieren. Gasfederungssysteme werden daher derzeit besonders im Bereich von Oberklasse-Fahrzeugen eingesetzt. Sie weisen gegenüber Federungssystemen mit Schraubenfedern mehrere Vorteile auf. So kann der Höhenstand des Fahrzeugs durch Zu- oder Abfuhr von Gas reguliert werden. Weiterhin ist die vertikale Eigenfrequenz des Aufbaus nahezu unabhängig vom Beladungszustand des Fahrzeugs. Zudem lässt sich durch die Formgebung des Abrollkolbens der Gasfedern der Steifigkeitsverlauf gezielt beeinflussen.In contrast to suspension systems with coil springs, the spring function is taken over by a gas-filled main chamber. As a result, the driving dynamics and comfort behavior of motor vehicles can be optimized particularly effectively. Gas suspension systems are therefore currently used particularly in the field of luxury vehicles. They have several advantages over suspension systems with coil springs. Thus, the ride height of the vehicle can be regulated by adding or removing gas. Furthermore, the vertical natural frequency of the structure is almost independent of the load condition of the vehicle. In addition, the shape of the rolling piston of the gas springs can influence the stiffness course in a targeted manner.

Gattungsgemäße Gasfederungssysteme sind gleichermaßen aus DE 100 27 369 A1 und GB 2 274 144 A bekannt.Generic gas suspension systems are alike DE 100 27 369 A1 and GB 2 274 144 A known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein passives Gasfederungssystem für ein Kraftfahrzeug im Hinblick auf den Fahrkomfort zu optimieren.The invention is based on the object to optimize a passive gas suspension system for a motor vehicle in terms of ride comfort.

Diese Aufgabe wird durch ein passives Gasfederungssystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Durch Einsatz von geeignet angekoppelten Zusatzvolumina kann die dynamische Steifigkeit und insbesondere das frequenzselektive Dämpfungsverhalten komfortsteigernd modifiziert werden. Nach der Erfindung wird bei gegebenen Volumina der Hauptkammer und der Zusatzkammer der diese verbindende Kanal derart konfiguriert, dass in dem Arbeitsgas entstehende Resonanzen in der Art eines Schwingungstilgers wirken, um Aufbauschwingungen, in der Regel im Bereich von 1 bis 2 Hz, oder etwas höherfrequente Fahrwerksschwingungen bei etwa 15 Hz zu dämpfen.This object is achieved by a passive gas suspension system according to claim 1. By using suitably coupled additional volumes, the dynamic stiffness and in particular the frequency-selective damping behavior can be comfort-enhancing modified. According to the invention, at given volumes of the main chamber and the additional chamber, the channel connecting them is configured so that resonances arising in the working gas act as a vibration absorber, to build-up vibrations, usually in the range of 1 to 2 Hz, or slightly higher frequency chassis vibrations to attenuate at about 15 Hz.

Dies lässt sich besonders einfach durch die Verwendung einer Strömungsdrossel realisieren, welche einen gegenüber dem Verbindungskanal verringerten Öffnungsquerschnitt besitzt.This can be realized in a particularly simple manner by the use of a flow restrictor which has a reduced opening cross section with respect to the connecting channel.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.Advantageous embodiments are specified in further claims.

Es hat sich gezeigt, dass zur wirkungsvollen Dämpfung von Aufbauschwingungen Öffnungsdurchmesser an der Strömungsdrossel im Bereich von 1 bis 2 mm +/– 10% besonders wirkungsvoll sind.It has been shown that for effective damping of build-up opening diameter of the flow restrictor in the range of 1 to 2 mm +/- 10% are particularly effective.

Mit größeren Öffnungsdurchmessern von 5 mm +/– 10% lassen sich hingegen die höherfrequenten Fahrwerksschwingungen optimal dämpfen.With larger opening diameters of 5 mm +/- 10%, on the other hand, the higher-frequency chassis vibrations can be optimally damped.

Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die frequenzselektive Abstimmung des Verbindungskanals über dessen Länge, die vorzugsweise größer ist, als der Abstand zwischen der Hauptkammer und der Zusatzkammer.According to a further advantageous embodiment of the invention, the frequency-selective tuning of the connecting channel over its length, which is preferably greater than the distance between the main chamber and the additional chamber.

Fahrwerksschwingungen in der Größenordnung von 15 Hz werden optimal gedämpft, wenn die Länge des Verbindungskanals bei einem Kanaldurchmesser von 14 bis 20 mm im Bereich von 2 bis 4 m liegt.Suspension vibrations of the order of 15 Hz are optimally damped if the length of the connection channel is in the range of 2 to 4 m for a channel diameter of 14 to 20 mm.

Vorzugsweise beträgt das Volumen der Zusatzkammer mindestens 10% des Volumens der Hauptkammer, bevorzugt liegt dieses jedoch im Bereich von 40 bis 80 Prozent des Volumens der Hauptkammer.Preferably, the volume of the auxiliary chamber is at least 10% of the volume of the main chamber, but is preferably in the range of 40 to 80 percent of the volume of the main chamber.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing. The drawing shows in:

1 eine räumliche Teilschnittansicht einer Gasfeder eines passiven Gasfederungssystems nach der Erfindung, 1 3 is a partial, partial sectional view of a gas spring of a passive gas suspension system according to the invention,

2 eine schematische Ansicht der Gasfeder mit einer ersten Ausgestaltungsform für den für Verbindungskanal zwischen der Hauptkammer und der Zusatzkammer, 2 a schematic view of the gas spring with a first embodiment of the connecting channel between the main chamber and the auxiliary chamber,

3 eine zweite Ausgestaltungsform für den Verbindungskanal, 3 a second embodiment for the connecting channel,

4 eine dritte Ausgestaltungsform für den Verbindungskanal, 4 a third embodiment for the connecting channel,

5 eine vierte Ausgestaltungsform für den Verbindungskanal, 5 a fourth embodiment for the connecting channel,

6 eine fünfte Ausgestaltungsform für den Verbindungskanal, 6 a fifth embodiment for the connecting channel,

7 den Verlauf der dynamischen Steifigkeit über der Frequenz aus einem Berechnungsmodell für die Auslegung des Verbindungskanals, wobei hier der Fall mit einer Strömungsdrossel dargestellt ist, 7 the course of the dynamic stiffness versus frequency from a calculation model for the design of the connection channel, the case being shown here with a flow restrictor,

8 den zu 7 gehörenden Phasengang, 8th which to 7 belonging phase course,

9 den Verlauf des Betrags der Übertragungsfunktion für das dynamische Verhalten einer Luftfeder mit Zusatzvolumen und kurzem Kanal bei harmonischer Fußpunkterregung unter einer Masse in vertikaler Richtung, 9 the course of the amount of the transfer function for the dynamic behavior of an air spring with additional volume and short channel at harmonic base point excitation under a mass in the vertical direction,

10 die spektralen Leistungsdichten der vertikalen Beschleunigung im vorderen Federbeindom auf unebener Strasse für unterschiedliche Kanäle, 10 the spectral power densities of the vertical acceleration in the front strut tower on uneven roads for different channels,

11 Versuchsergebnisse der dynamischen Steifigkeit für verschiedene Luftfederkonfigurationen, 11 Dynamic stiffness test results for different air spring configurations,

12 die zu 11 zugehörigen Phasengänge, und in 12 the too 11 associated phase responses, and in

13 den Verlauf der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Länge und des Durchmessers des Verbindungskanals. 13 the course of the resonance frequency as a function of the length and the diameter of the connecting channel.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein passives Gasfederungssystem für ein Kraftfahrzeug, das im Hinblick auf die Federwirkung ohne Zufuhr von Fremdenergie auskommt. Es umfasst je Fahrzeugrad eine in den 1 und 2 dargestellte Gas- bzw. Luftfeder 1. Jede Gasfeder 1 weist einen Abrollkolben 2 auf, der an eine Hauptkammer 3 angrenzt. Weiterhin ist jeder Gasfeder 1 eine externe Zusatzkammer 4 zugeordnet, die mit der Hauptkammer 3 über einen Verbindungskanal 5 verbunden ist, so dass die Gasvolumina in der Hauptkammer 3 und der Zusatzkammer 4 miteinander in Austausch stehen.The embodiment relates to a passive gas suspension system for a motor vehicle, which manages in terms of the spring effect without the supply of external energy. It includes one per vehicle wheel in the 1 and 2 illustrated gas or air spring 1 , Every gas spring 1 has a rolling piston 2 on, attached to a main chamber 3 borders. Furthermore, every gas spring 1 an external additional chamber 4 associated with the main chamber 3 via a connection channel 5 connected so that the gas volumes in the main chamber 3 and the additional chamber 4 communicate with each other.

Die Besonderheit der Erfindung liegt in der frequenzselektiven Ausgestaltung des Verbindungskanals 5, die nachfolgend anhand des der Abstimmung zu Grunde liegenden Modells näher erläutert wird. Grundüberlegung hierbei ist, Resonanzschwingungen des Arbeitsgases auszunutzen, um Aufbau- oder Fahrwerksschwingungen zu dämpfen und dadurch den Fahrkomfort zu verbessern.The peculiarity of the invention lies in the frequency-selective design of the connection channel 5 , which is explained in more detail below on the basis of the model underlying the vote. The basic idea here is to exploit resonance vibrations of the working gas in order to dampen structural or chassis vibrations and thereby improve ride comfort.

Die frequenzselektive Abstimmung des Verbindungskanals kann dabei über dessen Strömungsquerschnitt oder aber über dessen Länge erfolgen.The frequency-selective tuning of the connecting channel can be done via the flow cross section or over the length thereof.

Das Modell zur Konfiguration des Verbindungskanals 5 basiert auf Luftfedern 1 mit angekoppelten Zusatzkammern 4 bzw. Zusatzvolumina. Dieses wird wiederum in ein Gesamtfahrzeugmodell implementiert. Es berücksichtigt u. a. den Wärmeaustausch mit der Umgebung, Strömungsverluste und Trägheitseffekte der Luft im Verbindungskanal zwischen den beiden Kammern 3 und 4 sowie die damit verbundene Aufheizung des Gases. Das Verhalten des Arbeitsgases wird in den beiden Kammern 3 und 4 als ideal angenommen, wogegen im Verbindungskanal 5 die Energiedissipation berücksichtigt wird. Insbesondere werden folgende Effekte berücksichtigt:
an der Hauptkammer 3:

– der Einfluss der Konturierung des Abrollkolbens 2 auf das Kraft/Weg-Verhalten,
– der Wärmeaustausch mit der Umgebung,
– der Masse- und Energieaustausch mit der Zusatzkammer 4;
– die Verschiebungsabhängigkeit des Volumens und der effektiven Fläche können beliebig sein;

an der Zusatzkammer 4:

– der Wärmeaustausch mit der Umgebung,
– der Masse- und Energieaustausch mit der Hauptkammer 3, bei
– konstantem Volumen der Zusatzkammer 4,

und am Verbindungskanal 5:

– kein Wärmeaustausch mit der Umgebung,
– dissipative Aufheizung durch Strömungsvorgänge im Kanal 5, und
– die Trägheitswirkung der Luftmasse im Kanal.

The model for configuring the connection channel 5 based on air springs 1 with attached additional chambers 4 or additional volumes. This is in turn implemented in a complete vehicle model. It takes into account, inter alia, the heat exchange with the environment, flow losses and inertial effects of the air in the connecting channel between the two

chambers

3 and 4 and the associated heating of the gas. The behavior of the working gas is in the two

chambers

3 and 4 as ideal, whereas in the connecting channel 5 the energy dissipation is taken into account. In particular, the following effects are considered:
at the main chamber 3 :

- the influence of the contouring of the rolling piston 2 on the force / displacement behavior,
- the heat exchange with the environment,
- The mass and energy exchange with the additional chamber 4 ;
The displacement dependence of the volume and the effective area can be arbitrary;

at the additional chamber 4 :

- the heat exchange with the environment,
- The mass and energy exchange with the main chamber 3 , at
- constant volume of the additional chamber 4 .

and at the connection channel 5 :

- no heat exchange with the environment,
- dissipative heating by flow processes in the channel 5 , and
- the inertia effect of the air mass in the channel.

Das auf der Basis dieser Annahmen formulierte linerarisierte Luftfedermodell liefert bei Zugrundelegung einer sinusförmigen Wegerregung den 7 gezeigten Verlauf der dynamischen Steifigkeit über der Frequenz, während 8 den zugehörigen Phasengang zeigt. Der Verlauf der dynamischen Steifigkeit weist bei kurzen Verbindungskanälen eine stufenartige Struktur auf, wohingegen der Phasengang drei Maxima zeigt, da das System drei charakteristische Frequenzen besitzt.The linearized air spring model formulated on the basis of these assumptions provides the basis for sinusoidal path excitation 7 shown course of dynamic stiffness over frequency, while 8th shows the associated phase response. The course of the dynamic stiffness has a step-like structure for short connection channels, whereas the phase curve shows three maxima, since the system has three characteristic frequencies.

Bei Belastungsfrequenzen, die wesentlich kleiner als 10^–3 Hz sind, kann die Energiedissipation im Verbindungskanal 5 aufgrund der kleinen Strömungsgeschwindigkeit vernachlässigt werden. Die zusätzlich beim Verdichten und Entspannen des Gases entstehenden Temperaturänderungen werden durch Wärmeaustausch mit der Umgebung ausgeglichen. Die Luftfeder verhält sich isotherm und damit elastisch.At load frequencies much smaller than 10 ^-3 Hz, the energy dissipation in the connection ^channel can be 5 neglected due to the small flow rate. The additional temperature changes resulting from the compression and expansion of the gas are compensated by heat exchange with the environment. The air spring behaves isothermally and thus elastic.

Bei etwa 5 × 10^–3 Hz beginnt das Gas in der Hauptkammer 3 den Bereich der isothermen Zustandsänderungen zu verlassen, d. h. die beim Verdichten und Entspannen entstehenden Temperaturänderungen werden nicht mehr durch Wärmeaustausch über die Mantelfläche des Hauptvolumens ausgeglichen, sondern nur noch über das Zusatzvolumen. Dies führt zu einem Anstieg der Steifigkeit und einem lokalen Maximum im Phasengang.At about 5 × 10 ^-3 Hz, the gas in the main chamber begins 3 to leave the range of isothermal state changes, ie the temperature changes arising during compression and expansion are no longer compensated by heat exchange over the lateral surface of the main volume, but only on the additional volume. This leads to an increase in stiffness and a local maximum in the phase response.

Bei weiterer Erhöhung der Frequenz beginnt auch das Volumen in der Zusatzkammer 4 sich adiabat zu verhalten, was zu einem weiteren Anstieg der dynamischen Steifigkeit führt. Im Bereich von etwa 10 Hz ist die Energiedissipation im Verbindungskanal 5 am größten, denn die Strömungsgeschwindigkeit ist relativ hoch und es wird eine ausreichende Menge Gas hin und her transportiert. Dies entspricht dem dritten Phasenmaximum. Bei Frequenzen, die wesentlich größer als 10 Hz sind, beginnt der Verbindungskanal 5 zu sperren, was schließlich zu dem dritten Anstieg der Steifigkeit führt. Bei hinreichend hohen Frequenzen ist das Zusatzvolumen also vom Hauptvolumen abgekoppelt. Die Art und Weise, wie stark diese Effekte ausgeprägt sind und bei welchen Frequenzen sie auftreten, hängt insbesondere von den Wärmedurchgangsbedingungen und dem Durchflusskoeffizienten α ab. Dieser phänomenologische Parameter α α = ρ_κA² _κ/8πMηl_K ist ein Maß für die Durchlässigkeit des Verbindungskanals 5. Die Massendichte ρK wird zur Vereinfachung im Kanal als konstant angenommen. A² _κ repräsentiert die Querschnittsfläche, l_κ die Länge des Kanals, η die Viskosität, und M die Molmasse von Luft.As the frequency increases further, the volume in the additional chamber also begins 4 to behave adiabatically, resulting in a further increase in dynamic stiffness. In the range of about 10 Hz, the energy dissipation in the connection channel 5 the greatest, because the flow rate is relatively high and it is transported a sufficient amount of gas back and forth. This corresponds to the third phase maximum. at Frequencies much greater than 10 Hz begin the connection channel 5 to lock, which eventually leads to the third increase in stiffness. At sufficiently high frequencies, the additional volume is thus decoupled from the main volume. The way in which these effects are pronounced and at which frequencies they occur depends in particular on the heat transfer conditions and the flow coefficient α. This phenomenological parameter α α = ρ _κ A ² _κ / 8πMηl _K is a measure of the permeability of the connection channel 5 , The mass density ρK is assumed to be constant in the channel for simplicity. A ² _κ represents the cross-sectional area, l _κ the length of the channel, η the viscosity, and M the molecular weight of air.

Die ersten beiden charakteristischen Frequenzen hängen von den beteiligten Werkstoffen, den Mantelflächen und der Gasmenge ab, wogegen die dritte charakteristische Frequenz, die Sperrfrequenz des Verbindungskanals 5, vom Strömungswiderstand des Verbindungskanals 5 und von der Volumenaufteilung bestimmt wird.The first two characteristic frequencies depend on the materials involved, the lateral surfaces and the amount of gas, whereas the third characteristic frequency, the blocking frequency of the connecting channel 5 , from the flow resistance of the connection channel 5 and is determined by the volume distribution.

Das dynamische Verhalten einer Luftfeder mit Zusatzvolumen und kurzem Kanal bei harmonischer Fußpunkterregung unter einer Masse in vertikaler Richtung ist in 9 anhand des Betrags der Übertragungsfunktion dargestellt. Die Maxima variieren je nach Durchflusskoeffizient α in Betrag und Frequenz. Bei sehr kleinen Frequenzen verhält sich das System quasistatisch und die Antwortamplitude der gefederten Masse ist gleich der Erregungsamplitude. Im Bereich von etwa 1 Hz findet Resonanz statt. Bei sehr hohen Frequenzen kann die Masse der Erregung nicht mehr folgen.The dynamic behavior of an additional - volume, short - channel air spring with harmonic footpoint excitation under a mass in the vertical direction is 9 represented by the amount of the transfer function. The maxima vary depending on the flow coefficient α in magnitude and frequency. At very low frequencies, the system behaves quasi-statically and the response amplitude of the sprung mass is equal to the excitation amplitude. Resonance occurs in the range of about 1 Hz. At very high frequencies, the mass of arousal can no longer follow.

Wenn die Durchlässigkeit des Verbindungskanals zwischen den Volumina der Hauptkammer 3 und Zusatzkammer 4 hinreichend groß ist, d. h. für α = ca. 10^–4 m²mol/Ns, kann das Gas während der Schwingungen fast ungehindert durch den Kanal 5 strömen; es findet praktisch keine Dämpfung statt. Die Luftfeder mit Zusatzvolumen verhält sich in diesem Fall wie eine Luftfeder mit einem einzigen großen Volumen, was man an der kleineren Resonanzfrequenz und der relativ großen Resonanzüberhöhung erkennt. Im anderen Grenzfall eines sehr engen Kanals, d. h. für α = ca. 10^–7 m²mol/Ns ist das Zusatzvolumen praktisch abgekoppelt. Aufgrund der daraus resultierenden höheren Steifigkeit stellt sich nun die höhere Eigenfrequenz ein. Die Luftfeder verhält sich in diesem Fall praktisch so wie eine Luftfeder mit einem kleineren Volumen. Dazwischen gibt es einen Übergangsbereich, bei dem während jeder Schwingung eine hinreichende Menge Gas durch den Kanal 5 strömt und Energie dissipiert. Bei einem Durchflusskoeffizienten von etwa α = ca. 3 × 10^–6 m²mol/Ns ist die Dämpfung maximal und die Resonanzüberhöhung am geringsten. Damit folglich die Dämpfung möglichst groß wird, reicht es nicht aus, den Kanal beliebig eng zu machen. Es muss auch sichergestellt sein, dass eine hinreichende Menge an Gas hindurchströmen kann. Ist der Kanal sehr weit, so strömt zwar viel Gas hindurch, allerdings wird dann keine Energie mehr dissipiert.When the permeability of the connecting channel between the volumes of the main chamber 3 and additional chamber 4 is sufficiently large, ie for α = about 10 ^-4 m ² mol / Ns, the gas during the vibrations almost unhindered by the channel 5 stream; there is virtually no damping. The air spring with additional volume behaves in this case like an air spring with a single large volume, which is recognized by the smaller resonance frequency and the relatively large resonance peak. In the other limit of a very narrow channel, ie for α = about 10 ^-7 m ² mol / Ns, the additional volume is virtually decoupled. Due to the resulting higher stiffness now sets the higher natural frequency. The air spring behaves in this case, much like an air spring with a smaller volume. In between there is a transitional area where during each oscillation a sufficient amount of gas passes through the canal 5 flows and dissipates energy. At a flow coefficient of about α = about 3 × 10 ^-6 m ² mol / Ns, the damping is maximum and the resonance peak is the lowest. Thus, the attenuation is as large as possible, it is not enough to make the channel arbitrarily narrow. It must also be ensured that a sufficient amount of gas can flow through. If the channel is very wide, a lot of gas flows through it, but then no energy is dissipated.

In einem Gesamtfahrzeugmodell des VW PHAETON wurde der Durchflusskoeffizient a als Parameter zwischen α = 10^–7 m²mol/Ns und α = 10^–3 m²mol/Ns variiert. Die gewählte Fahrstrecke war eine 600 m lange, digitalisierte, gerade Strasse mit stochastisch verteilten, langwelligen Bodenunebenheiten. Die Fahrgeschwindigkeit betrug 90 km/h. Die Berechnungen wurden mit dem Reifenmodell RMOD-K 30 durchgeführt, welches ausgezeichnet für Komfortuntersuchungen geeignet ist. Für einen Wert von α = 10^–7 m²mol/Ns, d. h. für einen sehr engen Kanal, ergeben sich im Zusatzvolumen fast keine Temperaturänderungen, was daran liegt, dass aufgrund des sehr engen Kanals fast kein Gasaustausch mit dem Hauptvolumen stattfindet. Daher treten die durch das ständige Verdichten und Entspannen des Gases im Hauptvolumen auftretenden Temperaturschwankungen nicht bis zum Zusatzvolumen durch. Die Energiedissipation ist wegen des engen Kanals auch sehr klein. Für α = 10^–5 m²mol/Ns ist der Strömungswiderstand des Verbindungskanals erheblich kleiner, was dazu führt, dass die aufgrund der unebenen Strasse im Hauptvolumen stattfindenden Temperaturschwankungen durch Austausch von Gas bis in das Zusatzvolumen durchtreten. Auf der anderen Seite ist die Energiedissipation nun erheblich größer, was daran liegt, dass nun mehr Gas hin und herströmt als im Fall des engen Kanals. Für α = 10^–5 m²mol/Ns beobachtet man aufgrund des Dissipationseffekts einen Anstieg der mittleren Temperatur und eine Längenänderung der Luftfedern. Wie stark dieser Effekt ausgeprägt ist, liegt an den jeweiligen Luftfedern, am Strömungswiderstand des Kanals, an der Art der Unebenheiten, an der Fahrgeschwindigkeit und auch an der Fahrdauer. 10 zeigt in diesem Zusammenhang die spektralen Leistungsdichten der vertikalen Beschleunigung im vorderen Federbeindom. Man erkennt deutlich, dass die Resonanzüberhöhung im Bereich der Aufbaueigenfrequenz für α = 10^–5 m²mol/Ns am geringsten ausfällt. Man beachte dabei aber, dass die Leistungsdichte eine quadratische Größe ist. Für kleinere Werte des Durchflusskoeffzienten verschiebt sich die Aufbaueigenfrequenz zu etwas höheren Werten und für einen höheren Durchflusskoeffizient geht die Eigenfrequenz auf den niedrigeren Wert zurück.In a total vehicle model of the VW PHAETON, the flow coefficient a was varied as a parameter between α = 10 ^-7 m ² mol / Ns and α = 10 ^-3 m ² mol / Ns. The chosen route was a 600 m long, digitized, straight road with stochastically distributed, long-wave bumps. The driving speed was 90 km / h. The calculations were carried out with the tire model RMOD-K 30, which is perfectly suitable for comfort examinations. For a value of α = 10 ^-7 m ² mol / Ns, ie for a very narrow channel, there are almost no temperature changes in the additional volume, which is due to the fact that due to the very narrow channel almost no gas exchange with the main volume takes place. Therefore, the temperature fluctuations occurring due to the constant compression and expansion of the gas in the main volume do not pass through to the additional volume. The energy dissipation is also very small because of the narrow channel. For α = 10 ^-5 m ² mol / Ns, the flow resistance of the connecting channel is considerably smaller, with the result that the temperature fluctuations occurring due to the uneven road in the main volume pass through the exchange of gas up to the additional volume. On the other hand, the energy dissipation is now considerably larger, which is because now more gas flows back and forth than in the case of the narrow channel. For α = 10 ^-5 m ² mol / Ns, an increase in the mean temperature and a change in length of the air springs are observed due to the dissipation effect. How strong this effect is pronounced, is due to the respective air springs, the flow resistance of the channel, the type of bumps, on the driving speed and also on the driving time. 10 shows in this context the spectral power densities of the vertical acceleration in the front strut dome. It can be clearly seen that the resonance peak in the region of the natural build-up frequency is the smallest for α = 10 ^-5 m ² mol / Ns. Note, however, that the power density is a square size. For smaller values of the flow coefficient, the build-up natural frequency shifts to slightly higher values, and for a higher flow coefficient, the natural frequency returns to the lower value.

Zur Validierung des thermomechanischen Modells für Luftfedern wurden umfangreiche Versuche durchgeführt und das Verhalten der dynamischen Steifigkeit und der Phase als Funktion der Frequenz gemessen. Hierzu wurde eine Hinterachsluftfeder des VW PHAETON verwendet, bei welcher der Stoßdämpfer deaktiviert wurde. Die Experimente wurden in Wegsteuerung mit sinusförmigen Belastungen durchgeführt, wobei die Verschiebungsamplitude 5 mm betrug und die Frequenz zwischen 0,0005 Hz und 40 Hz variiert wurde. Die Luftfeder 1 wurde mit einer statischen Druckkraft von 7000 N vorbelastet. Der zugehörige Innendruck betrug 0,7 N/mm². Es wurden insgesamt 8 Messungen an verschiedenen Luftfederkonfigurationen durchgeführt:

1) Luftfeder ohne Zusatzvolumen
2) Luftfeder mit 0,171 l Zusatzvolumen, kurzer Verbindungsschlauch, keine Drosselblende
3) Luftfeder mit 1,18 l Zusatzvolumen, kurzer Verbindungskanal, keine Drosselblende (Basis Hinterachsluftfeder des VW PHAETON)
4) Luftfeder mit 1,18 l Zusatzvolumen, kurzer Verbindungskanal, Drosselblende mit I mm Lochdurchmesser im Kanal
5) Luftfeder mit 1,18 l Zusatzvolumen, kurzer Verbindungskanal, Drosselblende mit 2 mm Lochdurchmesser im Kanal
6) Luftfeder mit 1,18 l Zusatzvolumen, kurzer Verbindungskanal, Drosselblende mit 5 mm Lochdurchmesser im Kanal
7) Luftfeder mit 0,76 l Zusatzvolumen, 0,2 m langer Verbindungskanal, keine Drosselblende
8) Luftfeder mit 0,76 l Zusatzvolumen, 2,0 m langer Verbindungskanal, keine Drosselblende

For the validation of the thermomechanical model for air springs extensive tests were carried out and the behavior of the dynamic stiffness and the phase measured as a function of frequency. For this a rear axle air spring of the VW PHAETON was used, with which the shock absorber was deactivated. The experiments were carried out in path control with sinusoidal loads, the displacement amplitude being 5 mm and the frequency varied between 0.0005 Hz and 40 Hz. The air spring 1 was preloaded with a static compressive force of 7000 N. The associated internal pressure was 0.7 N / mm ² . A total of 8 measurements were carried out on different air spring configurations:

1) Air spring without additional volume
2) Air spring with 0.171 l additional volume, short connection hose, no orifice plate
3) Air spring with 1.18 l additional volume, short connection channel, no orifice plate (base rear axle air spring of the VW PHAETON)
4) Air spring with 1.18 l additional volume, short connecting duct, orifice plate with 1 mm hole diameter in the duct
5) Air spring with 1.18 l additional volume, short connecting duct, orifice plate with 2 mm hole diameter in the duct
6) Air spring with 1.18 l additional volume, short connecting duct, orifice plate with 5 mm hole diameter in the duct
7) Air spring with 0.76 l additional volume, 0.2 m long connecting channel, no orifice plate
8) Air spring with 0.76 l additional volume, 2.0 m long connecting channel, no restrictor orifice

Anhand der Messungen 1, 2 und 3 wurde das thermomechanische Verhalten einer Basisluftfeder mit einem sehr kurzen Verbindungskanal ohne Drosselblende untersucht. Der Parameter bei diesen Versuchsreihen war die Größe des Zusatzvolumens. Durch die Versuchsreihen 4, 5 und 6 wurde der Einfluss einer in den kurzen Verbindungskanal eingebauten Drosselblende untersucht. Der Verbindungskanal wies bei dieser Luftfeder eine Länge vom etwa 70 mm auf, so dass Resonanzeinflüsse der bewegten Luftmasse in dem untersuchten Frequenzbereich auf jeden Fall vernachlässigbar sind. In den Versuchsreihen 7 und 8 wurde die Länge des Verbindungskanals variiert, um gezielt die Resonanzeinflüsse der sich im Kanal 5 bewegenden Luftmasse untersuchen zu können.On the basis of measurements 1, 2 and 3, the thermo-mechanical behavior of a basic air spring with a very short connection channel without orifice plate was investigated. The parameter in this series of experiments was the size of the additional volume. Test series 4, 5 and 6 investigated the influence of an orifice plate built into the short connecting duct. The connecting channel had a length of about 70 mm in the case of this air spring, so that resonance influences of the moving air mass in the frequency range investigated are in any case negligible. In the test series 7 and 8, the length of the connecting channel was varied in order to specifically influence the resonance in the channel 5 be able to investigate moving air mass.

Die Versuchsergebnisse der dynamischen Steifigkeit sind in 11, der zugehörige Phasengang in 12 dargestellt.The experimental results of the dynamic stiffness are in 11 , the associated phase response in 12 shown.

Von besonderem Interesse ist das frequenzabhängige Verhalten der Steifigkeit bei den drei Versuchsreihen 4 bis 6 mit unterschiedlichen Drosselöffnungen. Mit steigenden Frequenzen ist ein zweiter Anstieg der dynamischen Steifigkeit sowie ein zweites Maximum im Verlauf der Phase zu beobachten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Zusatzvolumen als Funktion der Frequenz dynamisch abgekoppelt wird.Of particular interest is the frequency-dependent behavior of the stiffness in the three test series 4 to 6 with different throttle openings. With increasing frequencies, a second increase in dynamic stiffness and a second maximum in the course of the phase can be observed. This is due to the fact that the additional volume is dynamically decoupled as a function of the frequency.

Der Abkopplungseffekt des Zusatzvolumens für eine Drosselblende mit 1 mm Lochdurchmesser gestaltet sich frequenzabhängig wie folgt: bei Frequenzen unterhalb von 0,15 Hz sind die Gasdrücke in der Hauptkammer 3 und der Zusatzkammer 4 in Phase und besitzen dieselbe Amplitude. Bei einer Frequenz von 1,5 Hz tritt eine Phasenverschiebung zwischen beiden Drücken auf und die Druckamplitude im Zusatzvolumen nimmt ab, was auf einen einsetzenden Abkopplungseffekt hindeutet. Bei Frequenzen von 15 Hz und 40 Hz klingt die Druckamplitude im Zusatzvolumen praktisch auf Null ab, d. h. das Zusatzvolumen ist bei höheren Frequenzen dynamisch abgekoppelt. Diese Abkopplungsfrequenz steigt mit steigendem Durchmesser der Drosselöffnung an. Das zweite Maximum der Phase zeigt, dass das System dort eine hohe Dämpfung aufweist. Das erste Maximum bei etwa 0,01 Hz ist auf den Übergang isotherm/adiabat des Arbeitsgases zurückzuführen und für eine Ausnutzung in der Fahrzeugtechnik nicht relevant.The decoupling effect of the additional volume for an orifice plate with 1 mm hole diameter is frequency-dependent as follows: at frequencies below 0.15 Hz, the gas pressures in the main chamber 3 and the additional chamber 4 in phase and have the same amplitude. At a frequency of 1.5 Hz, a phase shift occurs between the two pressures and the pressure amplitude in the additional volume decreases, which indicates an incipient decoupling effect. At frequencies of 15 Hz and 40 Hz, the pressure amplitude in the additional volume virtually decays to zero, ie the additional volume is dynamically decoupled at higher frequencies. This decoupling frequency increases with increasing diameter of the throttle opening. The second maximum of the phase shows that the system has a high attenuation there. The first maximum at about 0.01 Hz is attributed to the isothermal / adiabatic transition of the working gas and is not relevant for use in automotive engineering.

Im Gegensatz zu den Drosseleffekten zeigt die Versuchsreihe mit dem 2 m langen Verbindungskanal 5 bei der Frequenz von 15 Hz eine deutlich ausgeprägte Abnahme der dynamischen Steifigkeit, die dadurch verstanden werden kann, dass die Luftmasse im Kanal im Bereich ihrer Resonanzfrequenz schwingt. Bei einem kurzen Verbindungskanal mit einer Länge von 0,2 m liegt diese Frequenz deutlich höher, da die schwingungsfähige Luftmasse im Kanal deutlich geringer ist. Bei den Belastungsfrequenzen, die unterhalb von 1,5 Hz liegen, beobachtet man in Amplitude und Phase gleiche Drücke in der Haupt- und Zusatzkammer 3 bzw. 4. Bei einer Frequenz von 15 Hz ist hingegen die Druckamplitude im Zusatzvolumen deutlich größer ist als im Hauptvolumen, wobei beide Drücke phasengleich sind. Bei 40 Hz beobachtet man gegenphasige Druckverläufe und eine größere Amplitude im Hauptvolumen als im Zusatzvolumen.In contrast to the throttle effects shows the test series with the 2 m long connecting channel 5 At the frequency of 15 Hz, a marked decrease in the dynamic stiffness, which can be understood by the fact that the air mass oscillates in the channel in the range of their resonance frequency. With a short connecting channel with a length of 0.2 m, this frequency is significantly higher, since the oscillating air mass in the channel is significantly lower. At the load frequencies below 1.5 Hz, the same amplitude and phase pressures are observed in the main and auxiliary chambers 3 respectively. 4 , At a frequency of 15 Hz, however, the pressure amplitude in the additional volume is significantly greater than in the main volume, both pressures are in phase. At 40 Hz one observes out-of-phase pressure curves and a larger amplitude in the main volume than in the additional volume.

Für die Zahlenwerte der hier untersuchten Luftfeder mit A_κ = π(0,009 m)², l_κ = 2 m, einem Zusatzkammervolumen von 0,00076 m³, einem Zusatzkammervolumen von 0,0012 m³, κ = c_p/c_v = 1,4 und einer Temperatur von 295 K erhält man eine Resonanzfrequenz von etwa 28,6 Hz. Für eine Kanallänge von l_κ = 0,2 m ergibt sich eine Frequenz von 90,4 Hz.For the numerical values of the air spring investigated here with A _κ = π (0.009 m) ² , l _κ = 2 m, an additional chamber volume of 0.00076 m ³ , an additional chamber volume of 0.0012 m ³ , κ = c _p / c _v = 1.4 and a temperature of 295 K gives a resonant frequency of about 28.6 Hz. For a channel length of l _κ = 0.2 m results in a frequency of 90.4 Hz.

Weiterhin ist neben der Abhängigkeit der Resonanzfrequenzen von der Länge des Verbindungskanals 5 auch eine Abhängigkeit vom Kanaldurchmesser zu beobachten, und zwar in Form einer Abnahme der Frequenz mit steigender Länge des Kanals und einem Anwachsen mit größerem Kanaldurchmesser.Furthermore, in addition to the dependence of the resonance frequencies on the length of the connecting channel 5 also to observe a dependence on the channel diameter, in the form of a decrease in the frequency with increasing length of the channel and an increase with a larger channel diameter.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch die hier vorgeschlagenen Maßnahmen Gasfedern eines Gasfederungssystems an einem Kraftfahrzeug in der Praxis zur frequenzselektiven gezielten Bedämpfung von Schwingungen eingesetzt werden können.In summary, it can be stated that gas springs of a gas suspension system on a motor vehicle can be used in practice for the frequency-selective targeted damping of vibrations by the measures proposed here.

Diese Maßnahmen bestehen insbesondere im Einbau von Strömungsdrosseln mit Lochdurchmessern von 1 mm bis 5 mm in den Verbindungskanal zwischen Haupt- und Zusatzkammer sowie, alternativ, im Einbau von Verbindungskanälen mit geeignet abgestimmten Längen. Die 2 bis 6 zeigen unterschiedliche Möglichkeiten in Form einfacher Lochblenden 6 (2), oder Düsen 7 (3 bis 6), wobei diese auch mehrfach hintereinander angeordnet werden können (5) oder sich im wesentlichen über die gesamte Kanallänge erstrecken (6).These measures are particularly in the installation of flow restrictors with hole diameters of 1 mm to 5 mm in the connecting channel between the main and auxiliary chamber and, alternatively, in the installation of connecting channels with suitably tuned lengths. The 2 to 6 show different possibilities in the form of simple pinhole 6 ( 2 ), or nozzles 7 ( 3 to 6 ), whereby these can also be arranged several times in succession ( 5 ) or extending substantially over the entire channel length ( 6 ).

Weiterhin zeigt sich, dass sich mit Drosselblendenöffnungsdurchmessern von etwa 1 mm bis 2 mm das Schwingungsverhaltenverhalten des Aufbaus bedämpfen lässt, das praktisch bei jedem Fahrzeug im Frequenzbereich von etwa 1 Hz bis 2 Hz liegt. Mit Öffnungsdurchmessern im Bereich von 5 mm kann das Schwingungsverhalten der ungefederten Massen am Fahrzeug (System aus Felge, Reifen, Bremse und anteiliger Masse der Achslenker) bedämpft werden, das in der Regel im Frequenzbereich von etwa 15 Hz liegt. Im gleichen Frequenzbereich ist auch eine Anpassung bzw. Abstimmung der Kanallänge möglich. Diese sollte als Verbindung zwischen Haupt- und Zusatzvolumen eine Länge von etwa 2 m bis 4 m und einen Durchmesser von etwa 14 mm und 20 mm aufweisen. Die entsprechenden Verhältnisse sind dem Diagramm in 13 zu entnehmen. Das vorstehend erläuterte Modell stellt ein effizientes Verfahren zur Abstimmung eines Gasfedersystems auf ein Kraftfahrzeug dar.Furthermore, it can be seen that with orifice aperture diameters of about 1 mm to 2 mm can dampen the vibration behavior of the structure, which is virtually every vehicle in the frequency range of about 1 Hz to 2 Hz. With opening diameters in the range of 5 mm, the vibration behavior of the unsprung masses on the vehicle (system of rim, tires, brake and proportional mass of the wishbones) can be damped, which is usually in the frequency range of about 15 Hz. In the same frequency range, an adaptation or tuning of the channel length is possible. This should have as a connection between the main and additional volume a length of about 2 m to 4 m and a diameter of about 14 mm and 20 mm. The corresponding ratios are in the diagram in 13 refer to. The model described above represents an efficient method for tuning a gas spring system to a motor vehicle.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gasfedergas spring
22: Abrollkolbenroll-off
33: Hauptkammermain chamber
44: Zusatzkammeradditional chamber
55: Verbindungskanalconnecting channel
66: Lochblendepinhole
77: Düsejet

Claims

Passive gas suspension system for a motor vehicle, comprising gas springs each having a main chamber ( 3 ) and a separate additional chamber ( 4 ), and a frequency-selective connecting channel connecting them ( 5 ), which in such a way to the volumes of the main chamber ( 3 ) and the additional chamber ( 5 ) is tuned, that at resonant vibrations of the working gas superstructure or suspension vibrations are damped, characterized in that the frequency-selective tuning in the connecting channel ( 5 ) an orifice plate or nozzle ( 6 . 7 ) is provided with a relation to the connecting channel reduced opening cross-section.

Passive gas suspension system according to claim 1, characterized in that the orifice plate or nozzle ( 6 . 7 ) has an opening with a diameter in the range of 1 to 2 mm +/- 10%.

Passive gas suspension system according to claim 1, characterized in that the orifice plate or nozzle ( 6 . 7 ) has an opening with a diameter of 5 mm +/- 10%.

Passive gas suspension system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the frequency-selective tuning of the connecting channel ( 5 ) takes place over its length.

Passive gas suspension system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the length of the connecting channel ( 5 ) is greater than the distance between the main chamber ( 3 ) and the additional chamber ( 4 ).

Passive gas suspension system according to claim 4 or 5, characterized in that the length of the connecting channel ( 5 ) in the range of 2 to 4 m with a channel diameter of 14 to 20 mm.

Passive gas suspension system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the volume of the additional chamber ( 4 ) at least 10% of the volume of the main chamber ( 3 ) is.

Passive gas suspension system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the volume of the additional chamber ( 4 ) in the range of 40 to 80 percent of the volume of the main chamber ( 3 ) lies.