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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugluftfederungssystem und
eine elektronisch steuerbare Luftfederungseinheit der Art, die in
der EP-A-828,087 offenbart ist, auf der der Oberbegriff von Anspruch
1 basiert.
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In
einem Fahrzeugluftfederungssystem ersetzen entweder Gummiluftfedern
oder pneumatische Dämpfer
oder beides eine herkömmliche
Stahlfeder- und Dämpferanordnung.
Luftfederungssysteme bieten die Vorteile einer verbesserten Fahrqualität, und wenn
sie elektrisch gesteuert sind, bieten sie eine Einrichtung zur Einstellung
der Fahrzeugfahrhöhe
(genauer gesagt des Abstandes zwischen dem Fahrgestell (Chassis)
und der Achse) unter wechselnden Belastungs- und Dynamikzuständen. Die Höhensteuerung
wird durch eine Änderung
des Volumens an Luft in den Federn/Dämpfern erzielt. Wenn das Volumen
zunimmt oder abnimmt, nimmt auch die Höhe der Fahrzeugkarosserie oberhalb
des Bodens zu oder ab, wenn man voraussetzt, dass keine Veränderung
der Nutzlast vorliegt.
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Es
sind Systeme bekannt, die eine 'Niveauregulierung' anbieten, wodurch
eine bestimmte Höhe aufrechterhalten
wird, während
die Nutzlast variiert, oder die zusätzlich variable Fahrhöhen anbieten
können – z.B. eine
vergrößerte Bodenfreiheit
für das Fahren über unebenes
Gelände.
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Da
Luftfederungssysteme eine gegebene Fahrhöhe aufrechterhalten, bleibt
der maximale Einfederungs- und Ausfederungsweg jeder Feder im Allgemeinen
konstant (was hier nachfolgend noch ausführlicher beschrieben werden
wird). Dies ist zwar vorteilhaft in bezug auf die Fahrqualität, aber
das Fahrzeug ist für
einem größeren Grad
an Nicken und Schlingern anfällig,
vor al lem dann, wenn gebremst wird, beschleunigt wird oder Kurven
gefahren werden.
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Es
ist bekannt, eine elektronische Steuerung der Luftfederungssysteme
bereitzustellen. Eine Steuereinheit (ECU) kann verwendet werden,
um die Regelung des Volumens an Luft in den Luftfedern oder die
Dämpfungscharakteristiken
der Dämpfer
zu steuern. Diese Systeme leiden unter dem Grad an Komplexität, vor allem
in bezug auf die Anzahl an Bauteilen und die benötigten elektrischen Schaltungen
und Sensoren. Es ist auch notwendig, alle Federungskomponenten (Luftquelle,
Ventile, Luftfedern und Dämpfer,
die mit jedem Federungspunkt – d.h.,
jedem Rad oder jeder Achse – verbunden
sind) in ein System zu integrieren, das von der ECU gesteuert wird.
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Weitere
Beispiele von Luftfederungseinheiten und Luftfederungssystemen aus
dem Stand der Technik sind in der US-A-4,386,791, der US-A-5,859,692
und der JP-A-08/21521 offenbart.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Luftfederungssystem
bereitzustellen, das die oben genannten Probleme wesentlich mildert.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Luftfederungseinheit bereitgestellt,
die aus einer integrierten Baugruppe besteht, die an einer Achse
eines Fahrzeugs montierbar ist, wobei die Luftfederungseinheit Folgendes umfasst:
eine
Luftfeder;
einen Höhensensor
zum Bereitstellen eines Fahrzeughöhensignals;
dadurch gekennzeichnet,
dass die Baugruppe des Weiteren umfasst:
ein Ventil, und
eine
elektronische Steuereinheit,
wobei die elektronische Steuereinheit
zur Steuerung des Ventils betätigbar
ist, um ein Volumen an Luft in der Luftfeder in Reaktion auf das
Fahrhöhensignal von
dem Höhensensor
zu regeln.
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Vorzugsweise
umfasst die Luftfeder einen Gummimantel, der ein abgedichtetes Luftvolumen bereitstellt,
und der Höhensensor
ist in dem abgedichteten Luftvolumen angebracht. Noch bevorzugter ist
der Höhensensor
ein linearer Wandler. Es ist ein Vorteil, dass der Gummimantel der
Luftfeder eine Umgebungsabdichtung für den Höhensensor bereitstellt, die
diesen vor Schmutz oder Kies schützt.
Dies bedeutet, dass ein empfindlicherer oder weniger robuster Höhensensor
verwendet werden kann.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst
die Luftfederungseinheit des Weiteren einen Fluiddämpfer. Der
Gummimantel der Luftfeder kann wenigstens einen Teil des Fluiddämpfers umgeben.
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Vorzugsweise
umfasst die Luftfederungseinheit des Weiteren ein Mittel zum Ändern eines
Weges für
den Fluidfluss in dem Dämpfer,
wodurch eine Änderung
bei einem Dämpfungskoeffizienten
des Fluiddämpfers
erleichtert wird. Das Mittel zum Ändern des Fluidflussweges kann
von der Steuereinheit steuerbar sein.
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Es
ist ein Vorteil, dass die Charakteristiken der Luftfederungseinheit,
d.h. das Volumen an Luft in der Luftfeder (das effektiv einen Federkoeffizienten bestimmt),
und der Dämpfungskoeffizient
durch die Steuereinheit gesteuert werden, die in der Luftfederungseinheit
integriert ist.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeugluftfederungssystem mit
einer Vielzahl von Federungselementen bereitgestellt, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass jedes Federungselement umfasst:
wenigstens
eine Luftfederungseinheit des oben beschriebenen Typs; und
wenigstens
einen Fluiddämpfer.
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Jede
Luftfederungseinheit kann einen Fluiddämpfer umfassen, der einen Teil
der integrierten Einheit bildet.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
jedes Federungselement einem Rad des Fahrzeugs zugeordnet. Bei einem
vierrädrigen
Fahrzeug kann jedes Federungselement eines sein, das jedem der vier
Räder des
Fahrzeugs oder nur jedem der beiden Hinterräder zugeordnet ist. Jedes Element kann
eine einzelne Luftfederungseinheit umfassen.
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Es
ist ein Vorteil, dass jede Luftfederungseinheit eine vollintegrierte,
unabhängige
Einheit ist, die ihre eigene Steuereinheit besitzt. Somit kann jede Einheit
von einer identischen Konstruktion sein und kann deshalb mit irgendeinem
der Räder
(oder Gruppen von Rädern
bei großen,
mehrachsigen Fahrzeugen) in Verbindung stehen. Dies reduziert auch
die Gesamtsystemkomplexität
(im Vergleich zu zentral gesteuerten Luftfederungssystemen), ist
bequemer für
den Austausch und die Wartung und reduziert den Betrag an benötigter elektrischer
Schaltung. Die Herstellungskomplexität der Federungseinheiten und
die Fahrzeugmontagezeiten werden ebenfalls reduziert, weil die Konfiguration
jeder Federungseinheit identisch ist.
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Vorzugsweise
reagiert die elektronische Steuereinheit jeder Luftfederungseinheit
auf weitere Signale, die Grundbedingungen des Fahrzeugs anzeigen.
Die weiteren Signale können
Signale von anderen Luftfederungseinheiten an dem Fahrzeug sein, zum
Beispiel Fahrhöhensignale
von den anderen Höhensensoren.
Die weiteren Signale können
auch Signale umfassen, die irgend etwas oder alles aus dem Folgenden
anzeigen: Fahrzeuggeschwindigkeit; Fußbremsenposition; Querbeschleunigung;
Motor (läuft/läuft nicht);
Gangwählschalterstellung;
Luftdruck in den Luftfedern. Die elektronische Steuereinheit kann
auch Eingangssignale von Drucktastern oder Schaltern in der Fahrzeugkabine
empfangen.
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Es
ist ein Vorteil des Systems, dass die unabhängige Steuerung der Charakteristiken
jedes Federungselements das System in die Lage versetzt, Schwankungen
in den Fahrbedingungen zu kompensieren sowie auch Änderungen
in der Fahrhöhe
zu erlauben.
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Die
elektronische Steuereinheit kann einen programmierbaren Mikrokontroller
umfassen, um das 'Tuning' in Übereinstimmung
mit den benötigten
Höheneinstellungen
und der Steuerstrategie für
das Fahrzeug zu ermöglichen.
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Es
ist ein weiterer Vorteil, dass die Luftfederungseinheit zur Verwendung
bei verschiedenen Fahrzeugen angepaßt werden kann, indem die programmierbare
Steuereinheit neu programmiert wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun beispielshalber unter Bezugnahme auf die
nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Konfiguration einer Luftfederungseinheit gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2 eine
Anordnung von Luftfederungseinheiten, die mit den Rädern eines
vierrädrigen
Fahrzeugs verbunden sind, in einem Federungssystem gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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3 eine
Blockdiagrammdarstellung von Signaleingängen und Signalausgängen zu/von
einer ECU der Federungseinheit von 1 ist;
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4 eine
graphische Darstellung von Dämpfereinstellungen
für die
Federungseinheit von 1 ist;
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5 eine
Veranschaulichung eines Fahrzeugs und von Karosseriebewegungen davon
ist;
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6 ein
Diagramm ist, das Verschiebungen eines Fahrzeug-Fahrgestells relativ
zu seinen Achsen zeigt; und
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7 eine
graphische Darstellung ist, die eine Verschiebungsreaktion bei einer 'Wipp'-Bedingung zeigt.
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8 zeigt
eine Konfiguration eines anderen Ausführungsbeispiels einer Luftfederungseinheit
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf 1 umfasst eine Luftfederungseinheit 10 eine
vollintegrierte Baugruppe zur Montage zwischen der Unterseite eines
Fahrzeug-Fahrgestells und einer Radachse. Die Einheit 10 weist
einen Fluiddämpfer 12 auf,
der sich durch eine pneumatische Gummiluftfeder 14 erstreckt,
die wenigstens einen Teil des Dämpfers 12 umgibt.
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Der
Fluiddämpfer 12 ist
von einer bekannten teleskopartigen rohrförmigen Art, die einen unteren rohrförmigen Abschnitt 16 aufweist,
der sich nach unten und koaxial ausgehend von einem oberen rohrförmigen Abschnitt 18 erstreckt.
Der Dämpfer 12 weist
eine untere Befestigung 20 an einem unteren Ende des ersten
rohrförmigen
Abschnitts 16 auf, während
der zweite rohrförmige
Abschnitt 18 fest an einem oberen Gehäuse 22 angebracht
ist. Ein Dämpfungsfluid
ist zwischen den rohrförmigen
Abschnitten eingeschlossen. Bei einer axialen Bewegung zwischen
den rohrförmigen
Abschnitten 16, 18 gleitet zum Zwecke der Expansion
oder Kompression des Dämpfers
ein Abschnitt teleskopartig in den anderen und bewirkt, dass das
Fluid durch einen gedrosselten Flussweg (nicht gezeigt) in dem Dämpfer 12 gedrückt wird.
Der gedrosselte Flussweg weist eine variierbare Drosselung auf,
um es so zu erlauben, dass der Dämpfungskoeffizient
eingestellt werden kann. Ein elektrisch betätigter Mechanismus ist bereitgestellt, um
diese Einstellung zu bewirken.
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Die
Luftfeder 14 ist fest an einem oberen Ende an einer Unterseite
einer Platte 24, die einen Teil des Gehäuses 22 bildet, und
an einem unteren Ende an einer Befestigung 26 befestigt.
Die Befestigung 26 ist starr an dem ersten rohrförmigen Abschnitt 16 des
Dämpfers 12 angebracht
und bildet eine luftdichte Abdichtung um diesen herum. Die Luftfeder 14 bildet
zusammen mit der Befestigung 26 und der Platte 24 einen
ringförmigen
Hohlraum 30 um den Dämpfer 12 herum,
zu dem Druckluft durch ein elektrisch betätigtes Ventil 32 in
dem oberen Gehäuse 22 zugeführt wird.
Die Betätigung
des Ventils 32 steuert die Zufuhr von Luft zu und das Ablassen von
Luft aus der Luftfeder 14. Wenn der Luftfeder 14 Druckluft
zugeführt
wird, bewirkt dies, dass die Luftfeder 14 mit Luft gefüllt wird
und sich der Dämpfer 12 ausdehnt.
In ähnlicher
Weise wird der Dämpfer 12 zusammengedrückt, wenn
bei der Luftfeder die Luft abgelassen wird. Aber dies beeinträchtigt nicht
die Dämpfercharakteristiken,
die nur von der internen Öffnungsgröße und dem Ölflussweg
abhängen.
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Ein
Höhensensor 33 ist
zum Abfühlen
und Signalisieren einer Fahrhöhe
bereitgestellt. Dadurch wird ein Signal bereitgestellt, das die
Verschiebung zwischen der Achse und dem Fahrgestell anzeigt. Der
Höhensensor 33 ist
im Innern der Luftfeder 14 angebracht und ermittelt die
Verschiebung zwischen der Oberseite der Befestigung 26 (oder
einem Punkt auf dem ersten rohrförmigen
Abschnitt 16 des Dämpfers 12)
und der Unterseite der Platte 24 (oder einem Punkt auf
dem zweiten rohrförmigen
Abschnitt 18 des Dämpfers 12).
Der Höhensensor 33 kann
von jeder Art sein, die dafür
geeignet ist, ein Signal bereitzustellen, das eine Verschiebung
anzeigt. Ein Beispiel ist ein linearer variabler differentieller
Wandler (LVDT), der einen Spannungsausgang erzeugt, der die Verschiebung
eines Eisenkernelements relativ zu einer Induktionsspule anzeigt.
Der Höhensensor 33, der
in 1 gezeigt ist, ist im Innern der Luftfeder 14 eingeschlossen.
Dies stellt eine luftdichte Abdichtung um den Sensor bereit und
stellt einen Schutz vor der Umgebung bereit (z.B. vor der Kontaminierung
oder der Korrosion).
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Eine
elektronische Steuereinheit (ECU) 36 ist ebenfalls in dem
oberen Gehäuse 22 untergebracht.
Verschiedene Signaleingänge,
die das Fahrhöhensignal
umfassen, werden der ECU 36 bereitgestellt, die in Reaktion
darauf entsprechende Ausgangssignale zur Steuerung der Luftfederungseinheit 10 sendet.
Die ECU 36 steuert die elektrische Betätigung der 'Dämpfungskoeffizienten'-Einstellung des Dämpfers 12 und
das Luftvolumen in der Luftfeder 14 durch die Betätigung des
Ventils 32. Die ECU kann auch den Betrieb eines Luftkompressors
und -behälters
für die
Zufuhr von Druckluft zu der Luftfeder 14 steuern. Elektrische
Energie und Kommunikationssignale werden der ECU 36 durch
ein Verbindungsglied 34 zugeführt. Die einzigen anderen Verbindungen
zu der Einheit 10 bestehen zu einer Luftzufuhr durch ein
pneumatisches Verbindungsglied 38 und zu einer elektrischen
Energiequelle durch ein Stromverbindungsglied 40, um die
Energie für
die Aktivierung des pneumatischen Ventils 32 bereitzustellen.
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Die
ECU 36 kann einen programmierbaren Mikrokontroller umfassen,
um zu erlauben, dass die Regelung des Dämpfungskoeffizienten und die
Steuerung des Ventils 32 in Übereinstimmung mit den benötigten Höheneinstellungen
und der Steuerstrategie für
das Fahrzeug eingestellt werden können. Das Tuning erlaubt die
Optimierung des Verhaltens der Luftfederungseinheit 10 für die Anforderungen
eines bestimmten Fahrzeugs.
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Bei
der Verwendung ist die Federungseinheit 10 zwischen einer
Achse und dem Fahrgestell des Fahrzeugs angebracht. Die Einheit 10 kann
eine Einheit sein, die mit jeder Achse des Fahrzeugs oder nur mit
der Hinterachse verbunden ist. Jeder Dämpfer 12 wird von
der damit verbundenen Luftfeder 14 einzeln gesteuert, und
jede Federungseinheit 10 wird unabhängig von jeder anderen Federungseinheit
an dem Fahrzeug gesteuert. Diese unabhängige Steuerung erlaubt ein
verbessertes Fahrverhalten und eine verbesserte Leistung, wie aus
der Erörterung
unten ersichtlich werden wird.
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Die
ECU 36 empfängt
Eingangssignale direkt von dem Höhensensor 33 in
der gleichen Einheit 10. Die ECU 36 empfängt auch
Signale von den ECUs anderer Federungseinheiten in dem Fahrzeug und
von verschiedenen anderen Sensoren und Steuereinheiten in dem Fahrzeug.
Beispiele für
solche anderen Signale, die empfangen werden können, umfassen den Status:
der Fahrzeuggeschwindigkeit; der Fußbremsenposition oder Bremskraft;
der Querbeschleunigung von einem Beschleunigungsmesser; des Motors
(z.B. läuft
oder läuft
nicht); der Gangwählschalterstellung
(z.B. in dem Fall eines Fahrzeugs mit einem Automatikgetriebe: 'Park', 'Ride', 'Neutral', 'Drive', 'Low'); des Luftdrucks
in den Luftfedern. Die ECU kann auch Eingangssignale von Drucktastern
oder Schaltern in der Fahrzeugkabine empfangen, was möglicherweise über eine
Interimssteuereinheit abläuft.
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Der
Luftfeder 14 wird Luft von einer Druckluftquelle wie etwa
einer Pumpe entweder direkt oder (optional) von einem Zwischenbehälter zugeführt. Die
Druckluftquelle kann in dem Luftfederungssystem integriert sein.
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Es
ist notwendig, Feuchtigkeit aus der Luft zu entfernen, die den Federn
zugeführt
wird, um den Aufbau von Flüssigkeit
in der Feder zu verhindern, die ansonsten zu einer Beschädigung der
Ventile, der Leitungen oder Federn führen könnte, die durch Eis verursacht
wird, falls das Wasser gefrieren sollte. Ein Feuchtigkeitsentferner
kann in der Luftfederungseinheit 10 integriert sein.
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2 ist
eine schematische Darstellung von Kommunikationswegen für ein Federungssystem
an einem Fahrzeug. Das Fahrzeug weist vier Räder 111–114 auf,
mit denen jeweils eine unabhängige Luftfederungseinheit 101, 102, 103, 104 verbunden ist.
Signale (z.B. Höhensensorsignale)
von jeder der Luftfederungseinheiten 101–104 werden
einander gegenseitig weitergeleitet, wie dies mit den unterbrochenen
Linien 120 gezeigt ist. Die Übertragung dieser Signale erfolgt
durch einen Kommunikationsdatenbus, der alle Einheiten 101–104 miteinander
verbindet. Signale von anderen Sensoren in dem Fahr zeug werden zu
allen Luftfederungseinheiten über den
Datenbus geleitet, wie dies durch die unterbrochene Linie 122 gezeigt
ist.
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3 zeigt
die Interaktion der Eingangs- und Ausgangssignale von der ECU 36 (wie
in 1 gezeigt) für
eine Luftfederungseinheit 101 (wie in 2 gezeigt).
Die Eingangssignale umfassen: das Höhensensorsignal 152 von
dem eigenen Höhensensor
der Einheit; Signale, die über
einen Datenbus 150 empfangen werden, die Signale von den
anderen Luftfederungseinheiten an dem Fahrzeug 154 (einschließlich der
Höhensensorsignale)
und andere Datensignale 156 von dem Fahrzeug umfassen;
und Datensignale 158 von allen anderen Sensoren, die an
der Einheit 101 angebracht sind (die sich zum Beispiel auf
den Luftdruck in dem System beziehen). Die Ausgangssignale umfassen:
ein Dämpfersteuersignal 160 zur
Steuerung des Dämpfungskoeffizienten
des Dämpfers;
ein Luftfedersteuersignal 162; und ein Ausgangsdatensignal 164 zu
den anderen Luftfederungseinheiten 102–104 über den
Datenbus 150.
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Die
grundlegenden Anforderungen an ein Fahrzeugfederungssystem sind
zweifach:
- (i) Aufrechterhaltung des Kontakts
zwischen den Fahrzeugreifen und dem Boden, über den gefahren wird; und
- (ii) Komfort des Fahrers und der Insassen durch die Isolierung
gegenüber 'Stoss'-Belastungen und der
Vibration, die sich aus dynamischen Fahrbahneingaben ergeben.
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Die
Federungsanordnung, die hier beschrieben wird, erfüllt diese
Anforderungen durch die Dämpfersteuerung
zur Optimierung der Fahrverhaltens- und Stabilitätscharakteristiken, wenn sich
die dynamischen Bedingungen verändern,
und die Luftfedersteuerung zur Bereitstellung eines hohen Niveaus
an Fahrer- und Insassenkomfort bei allen Bedingungen.
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Sowohl
die Dämpfer
als auch die Luftfedern beeinflussen jede der grundlegenden Anforderungen.
Aber die Steuerstrategie basiert auf den Tatsachen, dass die Dämpfersteuerung
signifikant die größere Auswirkung
auf (i) aufweist, während
(ii) mehr auf den Luftfedern als auf den Dämpfern in dieser Anordnung
beruht.
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Fahrzeugfederungen,
die Luftfedern aufweisen, sind von Natur aus 'weich' gefedert und weisen einen relativ großen Grad
an Bewegungsfreiheit auf. Dies ist notwendig, wenn variable Fahrhöhen angeboten
werden sollen, aber eine Folge davon ist ein gesteigertes Schlingern
(siehe unten) für
einen vorgegebenen Grad an Querbeschleunigung. Bei dem beschriebenen
System wird diesem Effekt teilweise über die Dämpfersteuerung entgegengewirkt.
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Für die Dämpfersteuerung
ist der wichtigste Eingang zu jeder ECU 36 derjenige, der
von ihrem damit verbundenen Höhensensor
kommt. Andere Eingänge
von dem Fahrzeugdatenbus 150 können von der ECU 36 für die Dämpfersteuerung
verwendet werden. Diese umfassen:
Querbeschleunigung: Wenn
das Fahrzeug mit einem Querbeschleunigungsmesser ausgestattet ist,
der auf dem Datenbus kommuniziert, können die ECUs Werte aus diesem
auslesen. Die Querbeschleunigungsdaten können anstelle von oder zusätzlich zu den
Höhensensorsignalen
bei der Steuerung des Schlingerns verwendet werden (siehe unten).
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Fahrzeuggeschwindigkeitsstatus:
dieser informiert jede ECU 36, ob das Fahrzeug in Bewegung ist
oder nicht, und falls ja, ob es beschleunigt oder abbremst. Falls
sich das Fahrzeug in Bewegung befindet, dann wird die Priorität der Dämpfersteuerung verliehen,
falls nicht, dann wird der Fokus auf die Steuerung der Luftfedern
gelegt. Außerdem
kann dann, wenn die Rate der Änderung
der Geschwindigkeit berechnet wird, eine beschleunigungsinduzierte Nickbedingung
vorhergesagt werden und der Dämpfer 12 wird
entsprechend eingestellt, um dem entgegenzuwirken. Alternativ dazu
kann in dem Fall von Fahrzeugen mit einem Automatikgetriebe ein
Gangwählschalterstellungs-Signal
verwendet werden, um jede ECU 36 davon zu informieren,
ob sich das Fahrzeug bewegt oder nicht.
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Fußbremsenstatus:
Das Nicken wird durch das Bremsen verursacht (siehe unten), und
wenn die ECU 36 darüber
informiert wird, dass die Bremsen betätigt werden, dann kann eine
Nickbedingung vorhergesagt werden, und der Dämpfer 12 kann entsprechend
eingestellt werden, um dem entgegenzuwirken. Außerdem kann dann, wenn die
Information bezüglich
der Rate der Betätigung
der Bremse zur Verfügung
steht, auch die Größe der Nickbedingung vorhergesagt
werden.
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Lenkradeinschlagwinkel:
Das Schlingern wird durch Lenkwinkeleingaben von dem Fahrer für eine Fahrzeugbewegung
oberhalb von Manövriergeschwindigkeiten
induziert (siehe unten). Wenn die ECU 36 die Lenkradeinschlagwinkelinformation
erhält,
dann können
die Größe und die
Richtung einer Schlingerbedingung vorhergesagt werden, und der Dämpfer 12 kann
entsprechend eingestellt werden, um dieser entgegenzuwirken.
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Für jede Federungseinheit
wählt die
ECU 36 einzeln die Dämpfereinstellung
aus, die am geeignetsten für
die Fahrzeuggrundbedingungen ist, wie sie in 4 gezeigt
sind. Es kann zum Beispiel vier solche Einstellung variierender
Grade an Nachgiebigkeit oder Festigkeit geben, die als 'weich', 'normal', 'sportlich' und 'hart' beschrieben werden
können. Wenn
man nur eine vorgegebene Anzahl an diskreten Einstellungen zur Verfügung hat,
so vereinfacht dies sowohl die physische Konfiguration des Systems
als auch die Steuerstrategie und bedeutet, dass ein relativ kostengünstiger
Mikrokontroller verwendet werden kann.
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Jede
Einstellung ist in der Form eines speziellen Ölweges in dem Dämpfer 12 manifest.
Jeder spezielle Ölweg
weist einen damit verbunden Dämpfungskoeffizienten
auf, so dass das Ändern
des Weges die Reaktionscharak teristiken des Dämpfers 12 verändert. Das
Mittel zum Ändern
des Ölweges
wird durch ein Signal von der ECU 36 gesteuert.
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Die
Steuerstrategie sollte die unterschiedlichen Anforderungen zwischen
der Vorderseite und der Hinterseite des Fahrzeugs berücksichtigen.
Moderne Fahrzeugfederungssysteme sind für gewöhnlich so konfiguriert, dass
an der Vorderseite die Federraten niedriger und die Dämpfung weicher
ist als an der Hinterseite. Dies gewährleistet, dass eine vorhersagbare
Untersteuercharakteristik vorliegt, und so 'fühlt' sich das Fahrzeug
für den
Fahrer und die Insassen 'natürlich' an, wenn Kurven
gefahren werden oder Biegungen genommen werden. Aus diesen Gründen erhalten
in der Anordnung des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Federungssteuereinheiten an
der Vorderseite des Fahrzeugs einen höheren Status in der Datenbushierarchie
als diejenigen an der Hinterseite. Außerdem wird der Steuerstrategie der
Vorderseite des Fahrzeugs Priorität verliehen. Das System unternimmt
Aktionen, um Fehler, die an der Vorderseite des Fahrzeugs ermittelt
worden sind, vor denen zu berichtigen, die an der Hinterseite ermittelt
werden. Für
Federungseinheiten an der gleichen Achse des Fahrzeugs wird die
Priorität
derjenigen verliehen, welche den größten 'Fehler' aufweist – d.h. die den größten Grad
an Regelung benötigt.
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5 zeigt
die Wege, in denen sich eine gefederte Fahrzeugkarosserie relativ
zu den Rädern bewegen
kann. Die Nickbewegung ist eine relative Verschiebung zwischen der
Vorderseite und der Hinterseite eines Fahrzeugs, die zu einer Rotation
um eine Querachse Y führt,
die durch einen momentanen Mittelpunkt verläuft, der sich nahe bei dem
Massenmittelpunkt befindet. Das Schlingern ist eine relative Verschiebung
zwischen einer Seite eines sich bewegenden Fahrzeugs und der anderen
Seite und führt
zu einer Rotation um eine Längsachse
X.
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Jede
ECU 36 tastet die Ablesung aus ihrem damit verbundenen
Höhensensor
in kleinen, vordefinierten Intervallen (≤ 10 ms) ab. Außerdem tastet
sie die Werte von den anderen Höhensensoren
in ähnlichen
Intervallen über
den Kommunikationsdatenbus 150 ab. Durch den Vergleich
der Höhensensorablesungen
ist es möglich,
das Auftreten einer Nick- oder Schlingerbedingung zu erfassen. Des
Weiteren kann die Rate des Fortschreitens des Zustandes bestimmt werden,
da die Abtastintervalle definiert sind.
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Eine
Nickbedingung wird durch den Vergleich von Ablesungen zwischen Höhensensoren
an den Vorderachsen und den Hinterachsen erfasst, d.h., Front rechts
gegenüber
Heck rechts, Front links gegenüber
Heck links. Die Nickbewegung kann durch Änderungen in der Geschwindigkeit
induziert werden, die sich aus dem Bremsen oder der Beschleunigung
ergeben. Sie kann auch durch das Beladen oder Entladen eines stationären Fahrzeugs
induziert werden, aber in solchen Fällen würden die Federungssteuereinheiten
aus einem 'Fahrzeuggeschwindigkeit
Null'- oder 'Gangwählschalter
in Parkposition'-Signal von dem Datenbus 150 'wissen', dass das Fahrzeug
stationär
ist, und würden
die Luftfedern je nach Notwendigkeit für die Neuregulierung betätigen.
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Eine
Schlingerbedingung wird durch den Vergleich von Ablesungen zwischen
Sensoren an der gleichen Achse erfasst, d.h., Heck rechts gegenüber Heck
links, Front rechts gegenüber
Front links. Dies ist in 6 dargestellt. Das Schlingern
wird induziert, wenn ein Fahrzeug eine Biegung oder Kurve überwindet
oder einem starken Seitenwind ausgesetzt ist.
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Die 'Richtung' oder das 'Vorzeichen' der Nick- oder Schlingerbedingung
können
ebenfalls leicht ermittelt werden und kennzeichnen, ob das Schlingern
von links nach rechts oder von rechts nach links erfolgt. Unter
Bezugnahme auf 6 zum Beispiel würde dies
für die
gezeigte Bedingung negativ sein, wenn das Schlingern immer als h1 – h2 berechnet
wird. Wenn h1 größer als
h2 ist, dann wäre dies
positiv. Der Schlingerwinkel Θ kann
einfach als Θ =
(h1 – h2)/t
(Radianten) berechnet werden, wobei t der Abstand von Mittelpunkt
zu Mittelpunkt zwischen den Rädern
(die 'Spur') ist.
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Die Änderungsrate
des Schlingerwinkels kann aufgrund der gegebenen Abtastintervalle
der Signale von den Höhensensoren
auch problemlos bestimmt werden. Dies ist wichtig, weil dies eine
Angabe bezüglich
der Heftigkeit des Zustands und der Geschwindigkeit bereitstellt,
mit der die Steuereinheiten eine Reaktion von den Dämpfern hervorrufen müssen, und
mit der diese Reaktion tatsächlich
bewirkt werden muß.
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Mit
dem gegebenen Grad an Nickbewegung oder Schlingern, der Rate des
Fortschreitens und dem Vorzeichen ist die ECU 36 in der
Lage, die günstigste
Einstellung für
ihren damit verbundenen Dämpfer 12 zu
bestimmen. Diese Einstellungen können
in einem Speicher in der ECU 36 als eine 'Nachschlagetabelle' von diskreten Werten
gespeichert werden. Wenn die geeignetste Einstellung hergestellt
ist, sendet die ECU 36 ein Signal zu dem Dämpfer 12,
um den benötigten
Dämpfungskoeffizienten
durch das Ändern
des Ölweges
in dem Dämpfer 12 bereitzustellen.
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Zusätzlich zu
der Nickbewegung und dem Schlingern ist das System in der Lage,
eine lineare Bewegung der gefederten Masse des Fahrzeugs in der
vertikalen Richtung (d.h. entlang einer vertikalen Achse Z, wie
dies in 5 gezeigt ist) zu erfassen und
diese zu korrigieren. Dies wird allgemein als 'Wippen' bezeichnet und ergibt sich aus der
gleichzeitigen Verschiebung jedes Rades auf einer gegebenen Achse
als ein Ergebnis des Überquerens
eines Hindernisses auf der Straße
oder einer welligen Fahrbahnoberfläche.
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Das
Wippen ist im Wesentlichen eine Aktion mit zwei Wegen: Einfederung – eine Aufwärtsbewegung
der Reifen relativ zu der Fahrzeugkarosserie, was eine Komprimierung
der Federungsfedern und -dämpfer
bewirkt; und Ausfederung – eine
Abwärtsbewegung
der Reifen relativ zu der Fahrzeugkarosserie, was eine Extension
der Federungsfedern und -dämpfer
bewirkt.
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7 veranschaulicht
einen Fahrzeug-Einfederungs-Ausfederungs-Zyklus. Die Zeit, die für einen
kompletten Zyklus verbraucht wird, ist t1, und der Reziprokwert
dieses Wertes ist die Wippfrequenz. Wenn das System die Dämpfer einstellen
muß, um einer
Wippbedingung entgegenzuwirken, dann muß die Aktion frühzeitig
in dem Einfederungs-Ausfederungs-Zyklus ergriffen werden. Wenn die
Zeit, die für den
Einfederungsweg verbraucht wird, um seine Spitzenverschiebung zu
erreichen, bekannt ist (t2), und es vorausgesetzt wird, dass der
Zyklus der Sinusform folgt, wie dies gezeigt ist, dann kann die
Frequenz f des Einfederungs-Ausfederungs-Zyklus aus f = 1/t1 = 1/(4 × t2) berechnet
werden.
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In
dem beschriebenen System werden die Höhenablesungen von jeder ECU
in regelmäßigen Zeitintervallen
abgetastet (etwa 10 ms). Durch das Vergleichen jeder Ablesung mit
der vorhergehenden Ablesung kann der Wendepunkt des Einfederungsweges
erfasst werden und deshalb die Zeit t2 berechnet werden, wenn die
Anzahl an Abtastintervallen gegeben ist, die seit dem Beginn der
Verschiebung vergangen sind. Die Wippfrequenz kann dann sehr schnell
berechnet werden und die Dämpfer
können entsprechend
eingestellt werden.
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Jedes
Fahrzeug weist Eigenschwingungsfrequenzen auf. Von speziellem Interesse
in der Steuerstrategie sind die Wippfrequenzen bei oder nahe bei den
Eigenfrequenzen fn in der vertikalen Richtung, weil diese unerwünschte Resonanzbedingungen
induzieren würden.
Wenn die fn-Werte bekannt sind, dann können sie in dem Speicher jeder
ECU gespeichert werden. Wenn eine Bedingung mit einer berechneten
Frequenz nahe bei einem fn-Wert erfasst wird, dann kann eine dem
entgegenwirkende Aktion ergriffen werden.
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Die
Luftfeder 14 (siehe 1) wird
durch Signale von der ECU 36 gesteuert, um den Betrieb
des elektrisch betätigten
Ventils 32 zu steuern, um mehr Luft für die Feder 14 bereitzustellen
oder Luft aus der Feder 14 abzulassen. Signale von der
ECU 36 können
dazu verwendet werden, die Betätigung
ei ner Pumpe oder damit verbundener Luftventile zu steuern, die einen
Teil der Druckluftzufuhr zu dem System bilden.
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Das
Volumen an Luft in den Federn kann variiert werden, um die Fahrhöhe in den
folgenden Situationen zu steuern.
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Niveauregulierung:
die ECU aktiviert die Pumpe und die Ventile je nach Notwendigkeit,
um eine voreingestellte Fahrhöhe – die 'Konstruktionsfahrhöhe' – aufrechtzuerhalten, wenn
die Nutzlast-Bedingungen schwanken.
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Erweiterte
Fahrhöhe:
in Reaktion darauf, dass der Fahrer eine Taste in der Fahrzeugkabine drückt, wird
den Federn Luft zugeführt,
um das Fahrzeug auf ein Niveau oberhalb der Konstruktionsfahrhöhe anzuheben.
Dadurch wird der Abstand zwischen der Unterseite des Fahrzeugs und
dem Boden unter ihm vergrößert, was
erwünscht
ist, wenn über ein
raues oder unebenes Gelände
gefahren wird.
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Hochgeschwindigkeits-Absenkung:
bei relativ hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, wie etwa 90 km/h (56
mph), kann es vorteilhaft sein, die Federn zu entlüften, bis
das Fahrzeug auf ein vorbestimmtes Niveau unterhalb der Konstruktionsfahrhöhe abgesenkt
wird. Dies senkt entsprechend den Schlingermittelpunkt und den Massenmittelpunkt
herab (5), und konsequenterweise wird die Stabilität verbessert.
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'Kneeling'-Höhe (nur
bei einem stationären Fahrzeug):
in Reaktion darauf, dass der Fahrer eine Taste in der Fahrzeugkabine
drückt,
werden die Federn entlüftet,
bis das Fahrzeug auf ein vorher spezifiziertes Niveau unterhalb
der Konstruktionsfahrhöhe abgesenkt
wird. Dies erleichtert das Beladen oder Entladen und auch das Einsteigen
und das Aussteigen von Insassen im Falle von großen Fahrzeugen (z.B. Lieferwagen,
Lastwagen, Freizeitfahrzeuge (Sport Utility Vehicles)).
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Die
wesentlichen Anforderungen der Steuerung der Dämpfer und der Steuerung der
Luftfedern sind sehr unterschiedlich, und es wird keinen Konflikt zwischen Änderungen
des Dämpferkoeffizienten
und des Federluftvolumens geben.
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Die
Dämpfer
und ihre damit verbundenen Steuerungen müssen sehr schnell auf sich ändernde Zustände reagieren
(z.B. in etwa 15 ms oder weniger). Dies ist im Falle der Luftfedern,
bei denen eine relativ langsame Reaktion auf Steuereingaben ausreichend
ist, nicht so.
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Im
Falle einer Funktionsstörung
sollte das System 'störungssicher' sein. Wenn die Steuerung der
Dämpfer
und/oder Luftfedern ausfällt,
sollte die Federung in einem solchen Zustand zurückgelassen werden, dass das
Fahrzeug stabil bleibt. Zum Beispiel würden die Dämpfer im Falle eines Stromausfalls
bei der Einstellung 'hart' zurückbleiben
und die Luft wäre
in den Federn 'eingesperrt'. Im Falle der Entlüftung einer
oder mehrerer Luftfedern würde
der damit verbundene Dämpfer
auf 'weich' gesetzt werden,
um Stoss- oder Vibrationseinwirkungen
auf das Fahrzeug-Fahrgestell zu minimieren.
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Wenn
das System an einem Fahrzeug angebracht ist, das eine ABS-Bremsregelung (ABS)
aufweist, dann könnte
es die ABS-Regelungsstrategie unterstützen. Eine Luftfederung hält die Fahrzeughöhe innerhalb
eines gegebenen Bandes um etwa eine vorher eingestellte Fahrhöhe herum,
die oftmals als die 'Konstruktionsfahrhöhe' oder 'Trimm-Höhe' bezeichnet wird,
aufrecht, während
sich die Nutzlast ändert.
Diese Operation ist als 'Niveauregulierung' bekannt und wird
normalerweise nur bei einem statischen Fahrzeug verwendet. Abweichungen
von der Trimm-Höhe
werden von den Höhensensoren
erfasst und der ECU signalisiert. Wenn ein statisches Fahrzeug durch
die Hinzufügung
von Nutzlast, egal ob es sich dabei um Insassen oder eine Fracht
handelt, abgesenkt wird, dann wird die Verschiebung direkt zu der
Größe der Nutzlast
in Beziehung gebracht. Eine 'Nachschlagetabelle' der Änderung
in der Höhenverschiebung
im Verhältnis
zu der Änderung
in der Nutzlast könnte
von der ECU gespeichert werden. Informationen bezüglich der
Nutzlaständerungen
können der
ABS-Regelung bereitgestellt werden, die dann die Bremsstrategie
zur Minimierung des gesamten Bremsweges dementsprechend optimieren
kann. Zum Beispiel erfordert eine größere Nutzlast idealerweise
das Anlegen einer größeren Bremskraft
in einem kürzeren
Zeitintervall.
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8 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Luftfederungseinheit, die eine integrierte Baugruppe aus einer
Luftfeder 14, einem Ventil 32, einer ECU 36 und
einem Höhensensor 33 ist.
Es sei angemerkt, dass diese Baugruppe keinen Dämpfer umfasst, und so benötigt der
ringförmige Hohlraum 30,
der von dem Gummimantel der Luftfeder 14 gebildet wird,
keine luftdichte Abdichtung um den Dämpfer herum (wie in 1 in
der Befestigung 26 gezeigt ist). Statt dessen ist der Höhensensor 33 zwischen
einer unteren Befestigung 42 und einer oberen Platte 44 angebracht.
Die untere Befestigung 42 ist direkt an einer Achse des
Fahrzeugs angebracht.
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Mit
dieser Anordnung bietet das Federungssystem eine Niveauregulierung
und (optional) eine variable Fahrhöhe. Da es keinen Dämpfer gibt,
ist zwar keine Steuerung des Fahrverhaltens und der Stabilität (durch
die Steuerung des Nickens, des Schlingerns, des Wippens und des
Gierens) bereitgestellt, aber diese Anordnung kann Seite an Seite mit
einem passiven oder aktiven Dämpfungssystem arbeiten,
um ein Federungssystem bereitzustellen, das für die meisten Fahrzeuganwendungen
geeignet ist.
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Viele
der Nutzen des vorliegenden Ausführungsbeispiels
sind gleich denjenigen des Ausführungsbeispiels
von 1. Das heißt,
wenn man diese mit einer 'herkömmlichen' (d.h., nicht integrierten) Anordnung
vergleicht: reduziert die integrierte Konfiguration die Systemkomplexität, wodurch
die Einbettung in das Fahrzeug erleichtert wird; werden die elektrischen
Schaltungen vereinfacht – die
einzigen elektrischen Verbindungen, die für jede Fede rungseinheit benötigt werden,
ist eine Stromzufuhr und die Masse für jede ECU und jedes Ventil,
und eine Datenbusverbindung zu jeder ECU; können Streben von identischer
Konfiguration an jeder Achse des Fahrzeugs befestigt werden; weist
jede ECU einen programmierbaren Mikrokontroller auf, und so kann die
Strebe so angepaßt
werden, dass sie zu einer Vielzahl von Fahrzeugplattformen passt;
kann die Luftfederungseinheit an einem Federungssystem befestigt
werden, das 2 oder 4 steuerbare Elemente erfordert; wird die Herstellung
erleichtert und die Montagezeit wird reduziert, wodurch sie für die Massenproduktion
besonders geeignet wird; reduziert sich die Bauteilanzahl, mit daraus
folgender Reduzierung der Gesamtkosten und des Gesamtgewichts des Systems;
reduziert sich die Masse, die dem Fahrzeug von den Luftfederungsbauteilen
präsentiert wird,
was wiederum das Einbetten vereinfacht und zur Erleichterung der
Herstellung beiträgt – dies trifft insbesondere
dann zu, wenn das System keine dedizierte Druckluftquelle aufweist,
sondern statt dessen von anderswo in dem Fahrzeug (z.B. einer motorbetriebenen
Pumpe) versorgt wird.
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Ein
anderer Hauptvorteil der Luftfederungseinheiten, die hier offenbart
werden, liegt darin, dass das gleiche Design so übertragen werden kann, dass es
zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Fahrzeugplattformen passt.
Wenn die ECUs, Ventile und Höhensensoren
anderswo in dem Fahrzeug angeordnet werden sollen, dann werden ihre
Positionierung und Einbettung von der Fahrzeugkonstruktion und den geometrischen
Beschränkungen
diktiert. Bei zwei verschiedenen Fahrzeugen kann es gut sein, dass zum
Beispiel zwei unterschiedliche Konfigurationen von Höhensensoren
oder Ventilblöcken
benötigt
werden, oder es kann sein, dass die ECU-Gehäusegrößen unterschiedlich sein müssen. Mit
den oben beschriebenen Anordnungen werden viele der Beschränkungen,
die von der Fahrzeugkonstruktion auferlegt werden, beseitigt, und
der Luftfederungs-Lieferant ist bis zu einem viel größeren Ausmaß frei,
den Typ der verwendeten Bauteile, ihre Quelle und ihre Einbettung
zu bestimmen. Die einzige Beschränkung
ist die Raumumhüllung,
die für
die Montage der Einheiten bereitgestellt ist. Das gleiche Design
wäre dann
für die
meisten (wenn nicht alle) Fahrzeugplattformen geeignet – die einzigen
Anpassungen, die notwendig wären,
wären (i)
dimensional, damit es zu der Federungsgeometrie passt, und (ii) die
Anpassung der ECU-Steuerungssoftware
und der damit verbundenen parametrischen Daten (z.B. benötigte Höheneinstellungen),
damit es zu den Federungsanforderungen eines bestimmten Fahrzeugs passt.
Vorausgesetzt, dass sowohl der ECU-Mikrokontroller (Prozessor) als auch
der Nur-Lese-Speicher (ROM) programmierbar sind, kann die gleiche ECU
für die
meisten, wenn nicht für
alle Anwendungen verwendet werden.
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Des
Weiteren stellen Umweltschutzgesetze strenge Anforderungen in bezug
auf die elektromagnetische Verträglichkeits-(EMC;
electromagnetic compatibility)-Leistung von Fahrzeugbauteilen. Das Luftfederungssystem,
wie es hier offenbart ist, benötigt
zwar eine elektrische Verbindung (Stromzufuhr, Masse und Leitung
zu dem Fahrzeugkommunikationsdatenbus), umfasst aber in sich selber
keinen Leitungssatz. Die einzige interne Verkabelung besteht zwischen
dem Ventil und der ECU (außer
das Ventil ist direkt mit der Leiterplatine der ECU verbunden) und
zwischen dem Höhensensor
und der ECU. Diese Gesamtkonfiguration ist vorteilhaft in bezug
auf die EMC, und zwar deshalb, weil sie geeignet ist, den Grad sowohl
(i) des Widerstands des Systems gegenüber Störungen aus externer elektromagnetischer
Strahlung, die durch die Leitungsfähigkeit in dieses induziert
werden können,
als auch (ii) der elektromagnetischen Strahlung, die von den Bauteilen
des Systems selber ausgestrahlt wird, zu verringern.
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Die
pneumatische Schaltungsanordnung wird ebenfalls vereinfacht, da
die einzige Leitungsverbindung zu dem System zu dem Ventil verläuft, um
die Zufuhr an Luft zu der Luftfeder und das Ablassen der Luft aus
der Luftfeder zu ermöglichen.
In herkömmlichen
Systemen mit peripheren Ventilen ist ein Leitungsnetz zwischen der
Druckluftzufuhr und den Ventilen und auch zwischen den Ventilen
und den Federn notwendig. Das System, wie es offenbart ist, reduziert
deshalb die Anzahl an pneumatischen Verbindungen und als eine Folge
davon die Anzahl an Wegen, die von dem System für einen Luftverlust dargeboten
werden.