DE4428605A1 - Hydrauliksystem für ein aktives Fahrwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem für ein aktives Fahrwerk gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Aus der DE-OS 41 23 704 Fig. 1 ist ein Hydrauliksystem bekannt bei dem eine Pumpe aus einem Tank einen Volumenstrom zur Ver­ sorgung der Aktuatoren der Fahrzeugachsen fördert. Ein grund­ sätzliches Problem aller aktiver Fahrwerkssysteme ist die Be­ reitstellung der notwendigen Energie zur Versorgung des Sy­ stems. So muß zur Horizontierung eines Fahrzeuges das Produkt aus δp mal δV von einer Pumpe gefördert werden, die direkt oder indirekt vom Antriebsmotor des Fahrzeugs betrieben wird. Das δp entspricht einem Druckgefälle zwischen einem Aktuator und dem drucklosen Tank, wobei die Pumpe derart ausgelegt werden muß, daß sie auch die relativ seltenen Spitzenlasten, die beispielsweise bei einer starken Federungsbewegung und gleichzeitiger schneller Kurvenfahrt auftreten, bewältigen muß. Bei Kurvenfahrt müßte ein relativ großes Volumen hohen Drucks in den kurvenäußeren Aktuator eingepumpt werden, um eine Wankbewegung auszugleichen. Umgekehrt muß aus dem kur­ veninneren Aktuator ein größeres Volumen geringeren Drucks abgelassen werden, um den Drehpunkt des Fahrzeugaufbau bei der Horizontierung auf der Fahrzeuglängsachse zu halten und um das Fahrzeug insgesamt nicht anzuheben.

Aus der DE 36 09 396 ist eine Wanksteuerung für Fahrzeuge be­ kannt, bei der eine Zusatzkammer pro Fahrzeugachse über eine Einstelleinrichtung den Gasfederkammern der Räder zuschaltbar ist, um die Federsteifigkeit der Gasfedern zu beeinflussen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Energieeinsatz für ein aktives Fahrwerkssystem zu verbessern, wobei der Auf­ wand beschränkt bleiben soll und die Fahrsicherheit des Fahr­ zeugs gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Patentanspruch 1 gelöst.

Für eine komfortable Federung des Fahrzeuges bei Geradeaus­ fahrt steht ein bedarfsgerechtes Gaspolster zur Verfügung. Bei einer Kurvenfahrt verringert sich durch das Absperren des kurvenäußeren Aktuators vom Zusatzdruckspeicher das vorzu­ spannende Volumen des Gaspolsters. Folglich kann auch bei ei­ nem im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Fördervolumen der Pumpe in den kurvenäußeren Aktuator eine Horizontierung erreicht werden, da der Druck im Aktuator als Funktion des Fördervolumens eine steilere Kennlinie aufweist. Dadurch, daß der kurveninnere Aktuator mit dem Zusatzdruck­ speicher verbunden werden kann, sinkt die Federrate des Aktuators. Gleichzeitig wird erreicht, daß genügend Hydrau­ likmedium den kurveninneren Aktuatoren entzogen werden kann, so daß sich der Fahrzeugaufbau durch die Befüllung der kur­ venäußeren Aktuatoren nicht anhebt. Die Dämpfeinrichtung, die für das kurveninnere Rad eine im Vergleich zur Geradeausfahrt bei ansonsten identischer äußeren Anregung eine größere Dämpfwirkung ausübt, verhindert, daß das Rad den Bodenkontakt verliert und übermäßig springt. Diese Maßnahme gewährleistet die geforderte Fahrsicherheit.

Gemäß einem vorteilhaften Merkmal sind die Aktuatoren einer Achse über zwei Speicherschaltventile gleichzeitig voneinander und vom Zusatzdruckspeicher trennbar sind. Mit der Trennfunk­ tion kann auf sehr einfache Art und Weise die Federate des Fahrwerks in seiner Grundeinstellung gesenkt werden, bei­ spielsweise für besseren Fahrkomfort. Alternativ kann das Speicherschaltventil als ein 3/3-Wegeventil ausgeführt sein, insbesondere dann, wenn die Fahrwerksstrategie eher eine kom­ fortable Einstellung vorsieht.

Eine Möglichkeit für eine Dämpfeinrichtung besteht darin, daß dem Speicherschaltventil eine verstellbare Drossel zur Erzeu­ gung der Dämpfkraft beigeordnet ist. Alternativ kann der Aktuator in Wirkverbindung mit einem Schwingungsdämpfer mit verstellbarer Dämpfung stehen. Dabei kann der Aktuator Be­ standteil des Schwingungsdämpfers mit verstellbarer Dämpfung sein.

Vorteilhafterweise ist das Speicherschaltventil innerhalb von Verbundleitungen zwischen den Aktuatoren und dem Zusatzdruck­ speicher angeordnet. Bei einem nie ganz auszuschließenden Fehler im Einflußbereichs des Speicherschaltventils bleiben die anderen Schaltventile zur Ansteuerung der Aktuatoren un­ beeinflußt.

Die Horizontierung des Fahrzeugaufbaus erfolgt maximal im Be­ reich der Wankeigenfrequenz. Dadurch erhält man die Möglich­ keit, das Fahrwerkssystem regelungstechnisch leichter hin­ sichtlich des Schwingungsverhaltens des Regelkreises zu be­ herrschen. Aus diesem Grund sind die Schaltzeiten der Spei­ cherschaltventile derart ausgelegt, daß die Schaltstellungen der Speicherschaltventile unabhängig ist von den hochfre­ quenten Einfederungsbewegungen der Rädern bedingt durch Stra­ ßenunebenheiten sind.

Gemäß einem vorteilhaften Merkmal werden die Steuerleitungen des hydraulisch betätigten Speicherschaltventils durch Steu­ erkanäle innerhalb des Schieberblocks gebildet, wobei die Steuerkanäle jeweils einen Druckanschluß wechselseitig mit einer Wirkfläche verbinden, so daß eine Stellkraft vorliegt, die den Schieberblock tendenziell in eine Schaltstellung verschiebt mit verringertem Durchflußquerschnitt zum Zusatz­ druckspeicher für den Anschluß mit höherem Druckniveau. Die ventilinternen Steuerleitungen reduzieren sehr stark die Anzahl von Hydraulikanschlüssen zwischen Steuerleitungen und Versor­ gungsleitungen. Des weiteren sind zur Einstellung der Schalt­ zeiten die Durchflußquerschnitte der Steuerkanäle deutlich kleiner als die der Druckanschlüsse, so daß die Steuerkanäle auf das Hydraulikmedium eine Drosselwirkung ausüben. Zusätz­ lich kann der Schieberblock durch Federn innerhalb definierter Druckkraftgrenzen in der Neutralstellung gehalten werden, wo­ bei die Druckkraftgrenzen den Druckschwankungen bedingt durch hochfrequente Federbewegungen entsprechen.

Vorteilhafterweise sind Drucksensoren in den Versorgungslei­ tungen installiert, deren Signale zur Steuerung der Speicher­ schaltventile herangezogen werden. Um eine Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus schon ansatzweise zu erkennen, können Be­ schleunigungssensoren am Fahrzeug appliziert sein, deren Si­ gnale zur Steuerung der Speicherschaltventile herangezogen werden.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 Hydrauliksystem mit hydr. Ansteuerung von 3/3 Proportional-Wegeventilen als Speicherschaltventil,

Fig. 2 p/V-Kennlinie der Aktuatoren mit einem Zusatzdruckspeicher,

Fig. 3 Schnitt durch eine mögliche Ausführungsform eines 3/3 Proportionalspeicherschaltventils,

Fig. 4 Hydrauliksystem mit elektronischer Ansteuerung von 3/3 Proportional-Wegeventilen als Speicherschaltventil,

Fig. 5 Hydrauliksystem mit hydr. Ansteuerung von 2/2 Proportional-Wegeventilen als Speicherschaltventil,

Fig. 6 Hydrauliksystem mit elektronischer Ansteuerung von 2/2 Proportional-Speicherschaltventilen.

In Fig. 1 ist ein Hochdruckvorrat, bestehend aus Pumpe 1a, Filter 1b, Rückschlagventil 1c und Überdruckventil 1d, insge­ samt mit 1 bezeichnet. Entsprechend einem Vierradfahrzeug sind vier Aktuatoren mit 3, 5, 7, 9 bezeichnet. Die Aktuatoren 3, 5 seien der Vorderachse zugeordnet, die Aktuatoren 7, 9 der Hinterachse. Jedem der Aktuatoren ist über eine Dros­ sel 3a, 5a, 7a, 9a ein Druckspeicher 3b, 5b, 7b, 9b zugeord­ net, und zwar sind diese Druckspeicher jeweils mit dem Druck­ raum des Aktuators verbunden. Des weiteren besitzt jede Fahr­ zeugachse einen Zusatzdruckspeicher 4, 6.

Die Druckräume der Aktuatoren 3-9 sind über Proportionalven­ tile 3c, 5c, 7c, 9c mit dem Hochdruckvorrat verbindbar und zwar mit einem in Abhängigkeit von einem Steuersignal ein­ stellbaren Querschnitt.

Die beiden Aktuatoren 3, 5 und die beiden Aktuatoren 7, 9 sind durch je ein Speicherschaltventil 11, 13 verbunden. In Reihe zu den Speicherschaltventilen 11, 13 liegt je eine verstell­ bare Drossel 11a, 13a. Die Absperrventile 3d, 5d, 7d, 9d so federvorgespannt, daß sie bei Ausfall der Pumpe in die Sperr­ stellung übergehen, während die Speicherschaltventile 11, 13 so vorgespannt sind, daß sie bei Ausfall der Pumpe 1a in die Öffnungsstellung übergehen. Dadurch sind die Aktuatoren einer Achse miteinander verbunden. Dies ist erwünscht, weil bei Ausfall der Pumpe 1a, wie auch bei anderen Fehlersituationen die Aktuatoren 5-9 von dem Hochdruckvorrat 1 und einem Tank 15 getrennt sein sollen und andererseits in solcher Situation die zu einer gemeinsamen Achse gehörenden Aktuatoren 3, 5 bzw. 7, 9 miteinander über die jeweilige Drosseln 11a, 13a verbun­ den sein sollen. Zum Ausgleich von Druckschwankungen sind in den Hochdruckleitungen zu den Wegeventilen 3c-9c Druckspei­ cher 17, 19 vorgesehen.

Die Speicherschaltventile 11, 13 sind als 3/3-Wege-Proportio­ nalventil ausgeführt. In der Neutralstellung sind beide Aktuatoren einer Achse miteinander verbunden. In den jewei­ ligen Endstellungen wird über Verbindungsleitungen 21a, 21, 23a, 23b ein Anschluß des kur­ veninneren Aktuators mit einem Zusatzdruckspeicher 4, 6 her­ gestellt, dabei aber der kurveninnere Aktuator von dem ent­ sprechenden Zusatzspeicher abgetrennt. Dadurch ändern sich die Federraten innerhalb der Aktuatoren 3-9. So erhöht sich im kurvenäußeren Aktuator der Druck bei gleicher Förderleistung der Pumpe sehr schnell, so daß sich eine rasche Horizontierung des Fahrzeugaufbaus einstellt. Damit kann sich auch nur eine geringe Einfederung des kurvenäußeren Aktuators einstellen. Relativ gesehen kann man aber bei einer üblichen Horizontierungszeit die Förderleistung deutlich verringern, da man nur ein kleines Gaspolster vorspannen muß, um eine Wagen­ kastengegenbewegung zu erreichen. In diesem Fall erreicht man eine deutliche Leistungseinsparung. Für den kurveninneren Aktuator steht ein Gaspolster zur Verfügung, das aus dem Zu­ satzdruckspeicher 4, 6 und dem Druckspeicher 3b-9b besteht. Die Federrate verringert sich, so daß die Radaufstandskräfte den Aktuator relativ verkürzen, so daß die Wankachse des Kraftfahrzeuges mit der Fahrzeuglängsachse deckungsgleich ist. Damit die eingepumpten und abfließenden Volumina der Aktuatoren einer Achse gleich groß sind und sich somit eine gleichmäßige Aktuatorenbewegung einstellt, sind die Arbeits­ kammern der Aktuatoren miteinander verbunden. Es muß für beide Aktuatorbewegunseinrichtungen das Volumen der Aktuatorkolbenstange ersetzt werden.

Die verstellbaren Drosseln 11a, 13a wirken als Dämpfeinrich­ tung, insbesondere für die kurveninneren Aktuatoren. Durch das vergrößerte Gaspolster bei Kurvenfahrt verringert sich die Federrate das Gesamtfedervolumens. Zur Beibehaltung des Bo­ denkontaktes wird in dem Maße, wie die Federrate des kurven­ inneren Aktuators abnimmt, die Drosselung verstärkt, so daß die erhöhte Dämpfkraft die reduzierten Gasfederkräfte kompen­ siert.

Aus der Fig. 2 ist der Zusammenhang zwischen in den Speicher eingespeistem Volumen und dem Druck erkennbar. Die mittlere Kennlinie entspricht der Federkennlinie eines Aktuators 3-9 pro Achse, die sich aus aus der gemittelten Summe beider Druckspeicher 3b-9b addiert mit dem Zusatzdruckspeicher 4, 6 ergibt. Es handelt sich dabei um einen theoretischen Wert zum Vergleich mit einer Federung mit vergleichbarem Abrollkomfort (Aufbaueigenfrequenz). Die Größen V und X stehen stellvertre­ tend für die Förderleistung der Pumpe bzw. den Federweg der Aktuatoren. So kann durch das Trennen des Zusatzspeichers 4, 6 von einem Aktuator 3-9 die Federkennlinie derart verändert werden, daß schon ein geringes Fördervolumen eine starke Druckerhöhung mit sich bringt und damit eine Gegenkraft zur Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus darstellt. Gleichzeitig sinkt durch die Kopplung des Druckspeichers 3b-9b mit dem Zusatz­ druckspeicher 4, 6 die Kennlinie stark ab. Der kurveninnere Aktuator kann auch einen größeren Federweg ausführen, ohne daß der Druck in den kritischen Bereich des Fülldrucks p_füll der Speicher erreicht.

In Fig. 3 ist das Speicherschaltventil 11, 13 als Einzelteil nach Fig. 1 dargestellt. An den Druckanschlüs­ sen 11b_R, 11b_LR, 13b_L, 13b_R setzen die Verbindungslei­ tungen 21a, 21b, 23a, 23b zu den Aktuatoren 3-9 an. Des weiteren umfaßt das Speicherschaltventil 11, 13 einen Anschluß 4a, 6a für den Zusatzdruckspeicher 4, 6. Innerhalb eines Ventilgehäu­ ses 11d, 13d ist ein Schieberblock 11c, 13c angeordnet. Dieser Schieberblock weist Steuerkanäle 11f, 13f auf, die einen Druckanschluß 11b_R, 11b_L, 13b_R, 13b mit einer gegenüberliegenden Wirkfläche 11g, 13g verbindet. Die Steuerkanäle 11f, 13f besit­ zen einen deutlich geringeren Querschnitt als die Druckan­ schlüsse 11b_R, 11b_L, 13b_R, 13b_L, so daß eine Drosselwirkung in­ nerhalb der Steuerkanäle 11f, 13f vorliegt. Bei einem erhöhten Druck in einem beliebigen Druckanschluß wirkt die Stellkraft, resultierend aus dem Druck in einem Steuerkanal 11f, 13f und der Wirkfläche 11g, 13g derart, daß sich der wirksame Quer­ schnitt 11g, 13g des Druckanschlusses 4a, 6a verringert. Zur Unterstützung der Drosselwirkung der Steuerkanäle 11f, 13f be­ sitzt das Speicherschaltventil 11, 13 jeweils Federn 11k, 13k, die Druckschwankungen im Fahrwerkssystem ausgleichen, die aus den Einfederungen der Räder bedingt durch Straßenunebenheiten herrühren und den Schieber zentrieren. Es wird eine definierte Schaltzeit erreicht, die gleichzeitig den Energieeinsatz an der Förderpumpe auf ein günstigeres Maß beschränkt.

Die Ausführungsformen nach den Fig. 4 u. 5 entsprechen bis auf die Speicherschaltventile 11, 13 exakt der Fig. 1. Abweichend werden in der Fig. 4 Drucksensoren 25 eingesetzt, die ihre Si­ gnale einem Rechner zuführen, der Steuerbefehle an die Spei­ cherschaltventile 11, 13 sendet. Alternativ können, wie die Fig. 5 zeigt, auch Beschleunigungssensoren 29 zur Ansteuerung der Speicherschaltventile 11, 13 eingesetzt werden. Mit den Beschleunigungssensoren kann das Fahrwerksystem auf kommende Wankbewegungen "vorbereitet" werden. Die Speicherschaltven­ tile 11, 13 verbinden nicht nur die Zusatzspeicher 4, 6 mit den Aktuatoren 3, 5, 7 und 9, sondern beeinflussen auch die Drosse­ lung. In dem Maße, wie die Verbindung zwischen dem kurvenäu­ ßeren Aktuator und dem Zusatzspeicher abgetrennt wird, erfolgt eine gedrosselte Zuschaltung zum kurveninneren Aktuator.

In der Fig. 6 wird eine Variante vorgestellt, bei der zur Schaltung der Zusatzdruckspeicher 4, 6 jeweils 2/2 Proportio­ nal-Wegeventile 31a, 31b, 33a, 33b zum Einsatz kommen. Im Ver­ gleich zu den Systemen nach Fig. 1, 4 und 5 besteht bei dieser Schaltung die Möglichkeit gleichzeitig beide Aktuatoren 3, 5; 7, 9 vom Zusatzdruckspeicher 4, 6 zu trennen. Damit werden auch beide Aktuatoren 3, 5; 7, 9 einer Achse von­ einander getrennt, was als ein zusätzliches Fail-Safe-Merkmal zu werten ist, da dadurch eine härtere Fahrwerkseinstellung erreicht wird. Die Schaltung der Speicherschaltven­ tile 31a, b, 33a, b erfolgt druckabhängig über hydraulische Steuerleitungen 31af, 31bf, 33bf, 33af. In der Fig. 6 kommen Aktuatoren zur Anwendung, die zwischen ihren Arbeitskammern verstellbare Drosseln 35a, b; 37a, b aufweisen. Die Verstellung der Drosseln 35a, b; 37a, b erfolgt in dem zu den anderen Figuren beschriebenen Sinn. Selbstverständlich ist auch eine andere Kombination einer Dämpfeinrichtung mit den Aktuatoren denkbar.

Claims (12)

1. Hydrauliksystem für ein aktives Fahrwerk, insbesondere zur Kompensation der Wank- und Nickbewegung, umfassend Aktuatoren mit jeweils einem Druckspeicher für eine Vor­ derachse und eine Hinterachse eines Kraftfahrzeuges, eine Pumpe zur Versorgung der Aktuatoren, Zufluß- und Abfluß­ leitungen von den Aktuatoren zu einem Tank, Schaltventile zur Steuerung der Aktuatoren, einen Zusatzdruckspeicher für jede Fahrzeugachse, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzspeicher bei im wesentlichen horizontaler Fahr­ zeugaufbaulage gleichzeitig mit den Aktuatoren einer Fahrzeugachse verbunden, bei einer Kurvenfahrt von dem kurvenäußeren Aktuator abgetrennt und mit dem kurvenin­ neren Aktuator verbunden ist und eine verstellbare Dämpfeinrichtung den Aktuatoren wirkmäßig zugeordnet ist, wobei in dem Maße, wie der kurveninnere Aktuator mit dem Zusatzspeicher verbunden ist, die verstellbare Dämpfeinrichtung für den kurveninneren Aktuator auf eine stärkere Dämpfung eingestellt wird.

2. Hydrauliksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (3-9) einer Achse über zwei Speicher­ schaltventile (31a, b; 33a, b) gleichzeitig voneinander und vom Zusatzdruckspeicher (4, 6) trennbar sind.

3. Hydrauliksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherschaltventil (11, 13) als ein 3/3-Propor­ tionalventil ausgeführt ist.

4. Hydrauliksystem nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Speicherschaltven­ til (11, 13; 31a, b; 33a, b), innerhalb von Verbundlei­ tungen (21a, b; 23a, b) zwischen den Aktuatoren (3-9) und dem Zusatzdruckspeicher (4, 6) angeordnet ist.

5. Hydrauliksystem nach den Ansprüchen 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Speicherschaltventil (11, 13, 31a, b; 33a, b) eine verstellbare Drossel (11a, b; 13a, b) zur Erzeugung der Dämpfkraft beigeordnet ist.

6. Hydrauliksystem nach den Ansprüchen 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator in Wirkverbindung mit einem Schwingungsdämpfer (35a, b; 37a, b) mit verstellbarer Dämpfung steht.

7. Hydrauliksystem nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeiten der Speicherschalt­ ventile (11, 13, 31a, b; 33a, b) derart ausgelegt sind, daß die Schaltstellungen der Speicherschaltven­ tile (11, 13, 31a, b; 33a, b) unabhängig ist von den hochfre­ quenten Einfederungsbewegungen der Rädern bedingt durch Straßenunebenheiten sind.

8. Hydrauliksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitungen des hydraulisch betätigten Spei­ cherschaltventils (11, 13) durch Steuerkanäle (11f, 13f) innerhalb des Schiebeblocks (11e, 13e) gebildet werden, wobei die Steuerkanäle (11f, 13f) jeweils einen Druckan­ schluß (11b_R, 11b_L, 13b_R, 13b_R, 13b_L) wechselseitig mit einer Wirkfläche (11g, 13g) verbinden, so daß eine Stellkraft vorliegt, die den Schieberblock (11c, 13c) tendenziell in eine Schaltstellung verschiebt mit verringertem Durch­ flußquerschnitt zum Zusatzdruckspeicher (4, 6) für den Anschluß (4a, 6a) mit höherem Druckniveau.

9. Hydrauliksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt der Steuerkanäle (11f, 13f) deutlich kleiner ist als der eines Druckan­ schlusses (11b_R, 11b_L, 13b_R, 13b_L), so daß die Steuerkanä­ le (11f, 13f) auf das Hydraulikmedium eine Drosselwirkung ausüben.

10. Hydrauliksystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieberblock (11c, 13c) durch Federn (11k, 13k) innerhalb definierter Druckkraftgrenzen in der Neutral­ stellung gehalten wird, wobei die Druckkraftgrenzen den Druckschwankungen bedingt durch hochfrequente Federbewe­ gungen entsprechen.

11. Hydrauliksystem nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Drucksensoren (25) in den Versorgungs­ leitungen installiert sind, deren Signale zur Steuerung der Speicherschaltventile (11, 13, 31a, b; 33a, b) herangezo­ gen werden.

12. Hydrauliksystem nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Beschleunigungssensoren (29) am Fahr­ zeug appliziert sind, deren Signale zur Steuerung der Speicherschaltventile (11, 13, 31a, b; 33a, b) herangezogen werden.