DE3937986A1 - Fahrzeugfederung ii - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Fahrzeugfederung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits eine Fahrzeugfederung bekannt, bei der zwischen einer Fahrzeugmasse und einer Radmasse ein Tragbein eingebaut ist.

Die bekannte Fahrzeugfederung enthält neben dem Tragbein unter ande­ rem eine Pumpe, ein Steuergerät, Sensoren und ein betätigbares Ven­ til. Mit Hilfe der Pumpe wird im Zulauf zu dem Ventil ein erforder­ licher Druck bereitgehalten. Das Tragbein umfaßt einen Arbeitszylin­ der mit zwei Arbeitsräumen. Über das betätigbare Ventil kann ein je­ weiliger Druck in den Arbeitsräumen je nach Bedarf gesteuert werden. Damit ist das Verhalten des Tragbeines in weiten Grenzen beliebig zu beeinflussen. Damit auch bei einer sehr unebenen Fahrbahn das Trag­ bein ausreichend schnell in gewünschter Weise arbeiten kann, muß eine ausreichend große Pumpenleistung installiert werden. Bei einer sehr ebenen Fahrbahn sind zum Betreiben des Federbeines nur kleine Fördermengen erforderlich. Die von der Pumpe zuviel geförderte Menge wird unter hohem Druck in den Tank zurückgefördert. Dies bedeutet auch bei relativ ebener Fahrbahn den ständigen Verbrauch einer gro­ ßen Leistung.

In dem betätigbaren Ventil entsteht ein Druckabfall und damit ein Leistungsverlust, d. h. "hineingesteckte" Energie wird in nicht mehr nutzbare Wärmeenergie umgesetzt. Die zum Ausfedern des Federbeines erforderliche Energiemenge kann beim Einfedern nicht mehr nutzbrin­ gend zurückgewonnen werden, sondern wird an der Drosselstelle in thermische Energie, d. h. Wärme umgesetzt.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber weist die mit den kennzeichnenden Merkmalen des Haupt­ anspruchs ausgestattete Fahrzeugfederung den Vorteil auf, daß zum Betreiben des Tragbeines so gut wie keine Energie aufgewendet werden muß. Erforderlich ist höchstens eine sehr geringe Energie zum Steuern der Fahrzeugfederung und gegebenenfalls muß in geringem Maße eine Leckage ausgeglichen werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Fahrzeugfederung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Systembild der Erfindung und die

Fig. 2 bis 4 Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Fahrzeugfederung in einem Sy­ stembild. Dieses umfaßt im wesentlichen folgende symbolisch darge­ stellten Einzelheiten: einen Energiespeicher 2, einen Wandler 6, ei­ ne erste Verbindung 4 zwischen dem Energiespeicher 2 und dem Wandler 6, ein Tragbein 10, eine zweite Verbindung 8 zwischen dem Wandler 6 und dem Tragbein 10, eine erste Masse 12 und eine zweite Masse 14, eine Steuerelektronik 16, eine Steuerleitung 18, eine Stromversor­ gungseinheit 22, einen Sensor 24 oder mehrere Sensoren 24, einen Sollwert-Geber 26 und mehrere Kabel 28.

Das Tragbein 10 befindet sich zwischen der ersten Masse 10 und der zweiten Masse 14. Die erste Masse 12 ist z. B. ein Fahrzeugaufbau 12 eines Kraftfahrzeuges und die zweite Masse 14 ist z. B. ein Radträ­ ger mit einem daran angeordneten Fahrzeugrad. Die beiden Massen 12, 14 sind relativ zueinander bewegbar. Über das Tragbein 10 kann die Richtung und die Geschwindigkeit der Bewegung beeinflußt werden. Bei dem Tragbein 10 kann zwischen einem Ausfahrhub und einem Einfahrhub unterschieden werden. Beim Ausfahrhub vergrößert sich der Abstand zwischen den beiden Massen 12, 14 und beim Einfahrhub verringert sich der Abstand zwischen den beiden Massen 12, 14.

Damit während des Ausfahrhubs das Tragbein die beiden Massen 12, 14 entgegen einer äußeren Kraft, d. h. aktiv auseinanderdrücken kann, muß dem Tragbein 10 Energie zugeführt werden. Damit während des Ein­ fahrhubs das Tragbein 10 den Abstand zwischen den beiden Massen 12, 14 entgegen einer äußeren Kraft verringern kann, d. h. das Tragbein zieht die beiden Massen 12, 14 aktiv zusammen, muß dem Tragbein ebenfalls Energie zugeführt werden. Das Tragbein 10 ist aber auch in der Lage, während des Ausfahrhubs das Vergrößern des Abstandes zwi­ schen den beiden Massen 12, 14 zu verzögern. Ebenso kann das Trag­ bein 10 während des Einfahrhubs das Verkleinern des Abstandes zwi­ schen den beiden Massen 12, 14 verzögern. Das heißt, das Tragbein wirkt in den beiden zuletzt genannten Fällen entgegen der Bewegung in sogenannter passiver Weise auf die beiden Massen 12, 14. Hierbei wird von dem Tragbein 10 Energie aufgenommen. Bei der bisher bekann­ ten Lösung wird diese Energie in Wärme umgesetzt. Dies geschieht bei der bisher schon bekannten Lösung, indem ein Druckmedium über eine Drosselstelle, z. B. eines Wegeventils oder dergleichen, strömt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird diese Energie über die zweite Verbindung 8, über den Wandler 6 und über die erste Verbindung 4 an den Energiespeicher 2 abgegeben. Dort wird diese Energie gespeichert und kann bei Bedarf über die erste Verbindung 4, über den Wandler 6 und über die zweite Verbindung 8 wiederum dem Tragbein 10 zugeführt werden. Der Energiefluß zwischen dem Energiespeicher 2 und dem Trag­ bein 10 über den Wandler 6 kann beliebig vonstatten gehen. Gesteuert wird dies von der Steuerelektronik 16 über die Leitung 18. Die Steu­ erelektronik 16 beeinflußt über die Steuerleitung 18 den Wandler 6 derartig, daß die Energie entweder vom Energiespeicher 2 in Richtung Tragbein 10 oder vom Tragbein 10 in Richtung des Energiespeichers 2 strömt.

Von der Stromversorgungseinheit 22 wird die Steuerelektronik 16 über das Kabel 28 mit elektrischer Energie versorgt. Die Steuerelektronik 16 arbeitet gemäß eines hier eingegebenen Programms und/oder auf­ grund von außen eingegebener Befehle. Über den Sensor 24 bzw. über mehrere Sensoren 24 kann ein augenblicklicher Betriebszustand der Fahrzeugfederung erfaßt werden. Mittels des Sollwert-Gebers 26 kann z. B. ein Fahrer des Fahrzeuges seinen Wunsch bezüglich der Fahr­ zeugfederung an die Steuerelektronik 16 übermitteln. Zum Betreiben der Steuerelektronik und zum Beeinflussen des Wandlers 6 sind nur sehr kleine, häufig vernachlässigbar kleine Energieströme notwendig.

Beim Austausch der Energie zwischen dem Energiespeicher 2 und dem Tragbein 10 ist nie ganz zu vermeiden, daß ein geringer Teil der Energie in nicht weiter nutzbare thermische Energie, d. h. in Wärme, umgesetzt wird. Diese Energie ist je nach Wirkungsgrad der Fahrzeug­ federung verschieden groß. Dieser Verlust an nutzbarer Energie ist in jedem Fall deutlich geringer als bei bisher bereits bekannten Ausführungen. Die der Fahrzeugfederung nicht mehr zur Verfügung ste­ hende thermische Energie muß wieder ersetzt werden. Ist die zweite Masse 14 z. B. ein Radträger 14, so kann dies z. B. durch äußere Kräfte geschehen, welche auftreten bei einer Fahrt über stets vor­ handene Unebenheiten. In diesem Fall wird die thermische Energie durch eine über die zweite Masse 14 dem Tragbein zugeführte Energie ersetzt. Diese ist in der Fig. 1 durch einen Pfeil 32 angedeutet. Ersatz der thermischen Energie kann aber auch geschehen indem von einem Antriebsmotor des Fahrzeuges Energie abgezweigt und direkt dem Energiespeicher 2 zugeführt wird. Dieser Fall ist in der Fig. 1 durch einen gestrichelt dargestellten Pfeil 34 angedeutet.

Der Wandler 6 muß so gestaltet sein, daß er, je nach Ansteuerung durch die Steuerelektronik 16, in der Lage ist, mehr oder weniger Energie in Richtung des Energiespeichers 2 oder in Richtung des Tragbeins 10 zu leiten. Der Wandler 6 ist z. B. eine hydraulisch ar­ beitende Pumpe/Motor-Einheit 6 und der Energiespeicher 2 umfaßt z. B. einen Hydrospeicher oder mehrere Hydrospeicher und/oder einen Hydrauliktank. Der Wandler 6, die zweite Verbindung 8 und das Trag­ bein 10 können z. B. eine mechanisch zusammenarbeitende Baugruppe bilden. Die erste Verbindung 4 kann z. B. eine hydraulische Verbin­ dung sein, wobei ein Austausch eines Druckmediums zwischen dem Ener­ giespeicher 2 und dem Wandler 6 durch die erste Verbindung 4 einen Austausch der Energie bewirkt. In den Fig. 2 bis 4 sind derartige Ausführungsbeispiele dargestellt. In allen Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Auführungsbeispiel umfaßt der Ener­ giespeicher 2 einen Hydrospeicher 42 und einen Hydrauliktank 44. Der Wandler 6 ist hier eine Pumpe/Motor-Einheit. Diese Einheit hat einen ersten Hydroanschluß 46 und einen zweiten Hydroanschluß 48. Die er­ ste Verbindung 4 umfaßt in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine erste Hydroleitung 50 und eine zweite Hydroleitung 52. Die erste Hy­ droleitung 50 verbindet den Hydrospeicher 42 mit dem ersten Hydroan­ schluß 46 des Wandlers 6 und die zweite Hydroleitung 52 verbindet den Hydrauliktank 44 mit dem zweiten Hydroanschluß 48 des Wandlers 6.

Das Tragbein 10 umfaßt in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine Welle 54 und zumindest einen Teil einer Schwinge 56. Der andere Teil der Schwinge 56 bildet ein Ende 57. Das Ende 57 ist Bestandteil der zweiten Masse 14, d. h. des Radträgers mit dem daran angeordneten Fahrzeugrad 58. Die Schwinge 56 verbindet den Radträger mit der Wel­ le 54. Die Welle 54 ist an der ersten Masse 12, d. h. an dem Fahr­ zeugaufbau drehbar gelagert. Die Schwinge 56 ist mit der Welle 54 drehfest verbunden. Je nach Drehung der Welle 54 werden die beiden Massen 12, 14 mit unterschiedlicher Geschwindigkeit relativ zueinan­ der bewegt. Zwischen den beiden Massen 12, 14 ist in dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 2 zusätzlich noch eine Feder 59 angeordnet. Die Feder 59 ist für die erfindungsgemäße Fahrzeugfederung nicht un­ bedingt notwendig, sie kann jedoch die von dem Wandler 6 aufzubrin­ genden und auf die Welle 54 zu übertragenden Kräfte reduzieren.

Die Welle 54 dient auch als An-/Abtriebswelle 54 der Pumpe/Mo­ tor-Einheit und hat somit die Funktion der zweiten Verbindung 8 zwi­ schen dem Wandler 6 und dem Tragbein 10.

Der Wandler 6, ist je nach Richtung des Energieflusses, eine Hydro­ pumpe bzw. ein Hydromotor und kann deshalb als Pumpe/Motor-Einheit bezeichnet werden. Die Pumpe/Motor-Einheit ist eine Verstell-Pum­ pe/Motor-Einheit mit einem veränderbaren spezifischen Volumen (q). Das spezifische Volumen (q) ist nach allgemeiner Definition das spe­ zifische Druckmedium-Volumen, welches je Umdrehung der An-/Abtrieb­ swelle 54 durch die Pumpe/Motor-Einheit von einem der Anschlüsse 46, 48 zum jeweils anderen Anschluß 46, 48 strömt. Eine der möglichen Strömungsrichtungen wird als positive (+) Richtung bezeichnet und das spezifische Volumen ist positiv (+q). Die entgegengesetzte Strö­ mungsrichtung ist dann negativ (-) und das spezifische Volumen ist negativ (-q).

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen strömt die Energie durch die erste Verbindung 4, 50, 52 als hydraulische Energie und durch die zweite Verbindung 8 als mechanische Energie. Der Wandler 6 transformiert die aus einer der beiden Verbindungen 4, 8 kommende Energieform um in die in die jeweils andere Verbindung 4, 8 abströ­ mende Energieform gemäß einem über den Wandler 6 vorgebbaren Über­ setzungsverhältnis (i). Das Übersetzungsverhältnis (i) ergibt sich aus dem spezifischen Volumen (q).

Auf das Ende 57 der Schwinge 56 wirkt in vertikaler Richtung eine Kraft. Diese Kraft hängt ab von der im allgemeinen veränderbaren Masse 12, d. h. von einem Beladungszustand des Fahrzeugaufbaus 12, von Fahrbahnunebenheiten, welche über das Fahrzeugrad 58 einwirken können und vom augenblicklichen Fahrzustand, wie z. B. Beschleuni­ gung, Abbremsen, Kurvenfahrt oder dergleichen. Diese Kraft am Ende 57 der Schwinge 56 bewirkt ein Drehmoment an der Welle 54. Diesem Drehmoment muß über die Pumpe/Motor-Einheit ein gewünschtes Drehmo­ ment entgegengesetzt werden. Je nachdem, ob dieses entgegengesetzte Drehmoment größer oder kleiner als das von der auf das Ende 57 ein­ wirkenden Kraft erzeugte Drehmoment ist, erfolgt ein Einfahrhub oder ein Ausfahrhub des Tragbeines 10. Die an dem Ende 57 der Schwinge 56 wirkende Kraft soll nachfolgend als Kraft des Tragbeines 10 bezeich­ net werden.

Eine Druckdifferenz zwischen den beiden Hydroanschlüssen 46, 48 er­ zeugt bei einem bestimmten spezifischen Volumen (q) ein bestimmtes Drehmoment an der Welle 54. Dieses entspricht einer Kraft des Trag­ beines 10. Je nach Belastung des Tragbeines 10 erfolgt ein Ausfahr­ hub, ein Einfahrhub oder ein Stillstand. Bei jeweils konstanter Druckdifferenz zwischen den beiden Hydroanschlüssen 46, 48 kann durch Veränderung des spezifischen Volumens (q) das Drehmoment der Welle 54 und damit die Kraft des Tragbeines 10 verändert werden. Mit zunehmendem spezifischen Volumen (q) wird auch das Drehmoment grö­ ßer. Da das spezifische Volumen (q) sowohl in positive Richtung (+q) als auch in negative Richtung (-q) veränderbar ist, kann das Drehmo­ ment an der Welle 54 in beide Drehrichtungen wirken und verändert werden. Das heißt, ein Einfahrhub des Tragbeines kann sowohl in Richtung einer äußeren Kraft als auch entgegen einer äußeren Kraft erfolgen. Ebenso ist es mit dem Ausfahrhub. Soll das Tragbein 10 entgegen einer äußeren Kraft ausfahren, so wird das spezifische Vo­ lumen (q) des Wandlers 6 so weit verändert, bis das hierzu erforder­ liche Drehmoment an der Welle 54 vorhanden ist. Der Wandler 6 wirkt in diesem Fall als Hydromotor und die Energie strömt aus Richtung des Energiespeichers 2 in Richtung des Tragbeines 10. Andererseits, bei Auftreten einer nach oben gerichteten Bodenunebenheit, wird das Fahrzeugrad 58 von der Bodenunebenheit nach oben gedrückt. Das spe­ zifische Volumen (q) des Wandlers 6 wird so weit verändert, daß des­ sen Drehmoment kleiner ist als es der Belastung des Tragbeines 10 entspricht, um einen Einfahrhub zu ermöglichen. In diesem Falle wirkt der Wandler 6 als Hydropumpe, die Druckmedium vom Hydraulik­ tank 44 in den Hydrospeicher 42 pumpt. In diesem Fall strömt die Energie aus Richtung des Tragbeines 10 über den Wandler 6 in Rich­ tung des Energiespeichers 2. Es ist z. B. auch möglich, die nach oben gerichtete Bodenunebenheit über z. B. den Sensor 24 zu erfassen und die Pumpe/Motor-Einheit (Wandler 6) kurz bevor das Fahrzeugrad 58 die Bodenunebenheit berührt, so anzusteuern, daß das Drehmoment der Pumpe/Motor-Einheit das Fahrzeugrad 58 aktiv nach oben anhebt. In diesem Fall strömt das Druckmedium aus dem Hydrospeicher 42 in den Hydrauliktank 44 und der Wandler 6 hat die Funktion eines Hydro­ motors.

Durch Verändern des spezifischen Volumens (q) des Wandlers 6 kann die Fahrzeugfederung so beeinflußt werden, daß je nach Wunsch das Tragbein 10 die gewünschte Bewegung ausführt. Durch ständig vor­ handene Unebenheiten der Fahrbahn erfolgt ein ständiges Arbeiten des Tragbeines 10, wodurch bei geeigneter Ansteuerung des Wandlers 6, d. h. durch geeignete Einstellung des spezifischen Volumens (q) Energie aus Richtung des Tragbeines 10 in Richtung des Energiespei­ chers 2 befördert wird, wodurch sich je nach Ansteuerung des Wand­ lers 6 eine gewünschte Druckdifferenz zwischen den beiden Hydroan­ schlüssen 46, 48 des Wandlers 6 bzw. zwischen dem Hydrospeicher 42 und dem Hydrauliktank 44 ergibt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der zweite Hydroanschluß 48 mit dem Hydrauliktank 44 verbunden. Hier ist die Druckdifferenz zwischen den beiden Hydroanschlüssen 46, 48 stets so, daß der Druck am ersten Hydroanschluß 46 größer ist als der Druck am zweiten Hydroanschluß 48. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist demhin­ gegen auch der zweite Hydroanschluß 48 des Wandlers 6 über die zwei­ te Hydroleitung 52 mit einem Hydrospeicher 63 verbunden. Dadurch kann der Druck an beiden Hydroanschlüssen 46, 48 vorgespannt sein.

Zwecks Ersetzen einer nie ganz zu vermeidenden Leckage kann eine Druckquelle 65 dem System verlorengegangenes Druckmedium wieder zu­ führen. Die Druckquelle 65 ist in der Zeichnung beispielhaft mit der ersten Hydroleitung 50 verbunden. Über die Druckquelle 65 kann bei Bedarf auch der Druck in den Hydrospeichern 42, 63 erhöht werden. Die Druckquelle ist zum Betreiben des Tragbeines 10 der erfindungs­ gemäßen Fahrzeugfederung an sich nicht notwendig und deshalb in der Zeichnung gestrichelt dargestellt. Über die Druckquelle 65 müssen nur sehr kleine Ströme gefördert werden, weshalb diese sehr klein ausgeführt sein kann. Der Energiebedarf der Druckquelle ist unerheb­ lich.

Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist das von dem Wandler 6 aufzubringende Drehmoment beträchtlich. Dieses kann reduziert werden, wenn in der zweiten Verbindung 8 zwi­ schen dem Tragbein 10 und dem Wandler 6 ein Übersetzungsgetriebe zwischengeschaltet ist. Da dies nur eine konstruktive Variante ist, ist diese zeichnerisch nicht dargestellt. Dieses Übersetzungs­ getriebe kann z. B. ein Zahnradgetriebe mit konstantem Übersetzungs­ verhältnis sein.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Tragbein 10 einen Träger 70 mit einer Zahnung. Der Wandler 6 ist auch hier eine Pumpe/Motor-Einheit mit einer An-/Abtriebswelle 72, welche mit einer Zahnung versehen ist. Die Zahnung der An-/Abtriebs­ welle 72 und die Zahnung des Trägers 70 bilden die zweite Verbindung 8 zwischen dem Wandler 6 und dem Tragbein 10. An dem Träger 70 ist das Fahrzeugrad 58 angeordnet. Der Träger 70 und das Fahrzeugrad 58 sind Bestandteile der zweiten Masse 14. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 muß, je nach Ausführung, die An-/Abtriebswelle 72 des Wandlers 6 für einen kompletten Einfahrhub oder Ausfahrhub mehrere Umdrehungen ausführen, wodurch das erforderliche Drehmoment des Wandlers 6 entsprechend geringer ist als bei den Ausführungsbeispie­ len nach Fig. 2 und 3. Ein zusatzliches Übersetzungsgetriebe ist hier kaum erforderlich.

Bei den zeichnerisch dargestellen Ausführungsbeispielen wird das Tragbein 10 mechanisch betätigt und die Energie hydraulisch gespei­ chert. Der Wandler 6 übersetzt zwischen der Hydraulik und der Mecha­ nik mit veränderbarem Übersetzungsverhältnis. Es sind aber auch an­ dere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fahrzeugfederung denk­ bar. Möglich ist auch z. B. ein rein mechanischer Speicher 2. Dies kann z. B. ein Schwungrad sein. In diesem Fall ist es zweckmäßig, den Wandler 6 in Form eines Getriebes, das ein mit Hilfe der Steuer­ elektronik 16 veränderbares Übersetzungsverhältnis (i) hat, auszu­ führen. Das Getriebe kann z. B. ein Planetengetriebe sein.

Der Wandler 6 kann verschieden realisiert werden, z. B. als Radial­ kolbenpumpe, als Axialkolbenpumpe, Schrägscheibenpumpe, Flügelzel­ lenpumpe oder dergleichen. Das spezifische Volumen (q) verändert man z. B. durch Ändern einer Exzentrizität, eines Schwenkwinkels usw. Zum Verstellen des spezifischen Volumens (q) sind nur kleine, uner­ hebliche Steuer-Energieströme erforderlich.

Claims (5)

1. Fahrzeugfederung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem, zwischen zwei, mit unterschiedlicher Geschwindigkeit gegeneinander bewegbaren Massen vorgesehenen, die Geschwindigkeit beeinflussenden Tragbein, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeugfederung einen Energiespeicher (2) und einen Wandler (6), dessen Übersetzungsver­ hältnis (i) veränderbar ist, umfaßt, wobei eine in dem Energiespei­ cher (2) gespeicherte Energie über den Wandler (6) dem Tragbein (10) zuführbar ist und eine aus dem Tragbein (10) kommende Energie ist über den Wandler (6) dem Energiespeicher (2) zuführbar.

2. Fahrzeugfederung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (2) mindestens einen Hydrospeicher (42, 63) umfaßt.

3. Fahrzeugfederung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wandler (6) eine Pumpe/Motor-Einheit mit veränder­ barem spezifischen Volumen (q) ist.

4. Fahrzeugfederung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (2) ein Schwungrad umfaßt.

5. Fahrzeugfederung nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wandler (6) ein Getriebe mit veränderbarem Über­ setzungsverhältnis (i) ist.