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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Fahrzeugradaufhängungsanordnung
und eine Anordnung zum Ausführen
des Verfahrens. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Verwendung
als integrierte Radaufhängungseinheit
für die
jeweiligen Räder
eines Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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Hintergrundtechnik
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In
Verbindung mit modernen Fahrzeugen, wie beispielsweise Personenkraftwagen,
werden verschiedene Aufhängungssysteme
für Fahrzeugräder und
Radachsen verwendet. Derartige Radaufhängungen werden auf bekannte
Weise derart angeordnet, dass die Fahrzeugräder geeignet befestigt und elastisch
aufgehängt
werden können,
um den Fahrzeuginsassen einen guten Komfort zu bieten und sowohl
die Straßenlage
oder Straßenhaftungseigenschaften
zu verbessern als auch die Nutzungsdauer des Fahrzeugs zu erhöhen.
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Gegenwärtig sind
viele verschiedenartige Radaufhängungen
bekannt und in Systemen mit z. B. starren oder geteilten Radachsen
integriert, die je nach Erfordernis durch Federelemente, Stoßdämpfer und
andere Komponenten ergänzt
sein können.
Außerdem
werden häufig
kraftabsorbierende Gelenk- oder
Verbindungsarme, die die Fahrzeugräder mit der Fahrzeugkarosserie
verbinden, und Querstabilisatoren zum Vermindern übermäßiger Rollbewegungen
des Fahrzeugs verwendet. Herkömmliche
Aufhängungsanordnungen
mit McPherson-Feder beinen und ähnlichen
Dämpfungseinrichtungen
nehmen tendenziell einen relativ großen Raum ein und sind für eine aktive
Steuerung der Aufhängungseigenschaften
nicht immer geeignet. Andersartige Aufhängungen verwenden hydraulische
Dämpfer,
die zwar einfacher steuerbar sind, aber mindestens den gleichen Raum
einnehmen und hinsichtlich Gas- oder Hydraulikfluidverlusten anfällig sind.
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Ein
Beispiel einer kompakten Fahrzeugaufhängungseinheit ist in der
WO 00/38939 dargestellt. Gemäß diesem
Dokument weist ein zwischen dem jeweiligen Rad und der Fahrzeugkarosserie
verbundener Verbindungsarm eine Torsionsfedereinheit zum Steuern
einer Niveauregelung des Rades und eingeschränkt auch für eine gewisse aktive Steuerung,
z. B. eine Querstabilisierungsfunktion, des Fahrzeugs auf. Ein steuerbarer
Axialmotor in der Form eines Hydraulikzylinders bewirkt die Einstellung
der Torsionsfedereinheit. Auf diese Weise benötigt das Fahrzeug keinen herkömmlichen
mechanischen Querstabilisator.
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Ein
bei dieser Lösung
auftretendes Problem ist, dass die Torsionsfedereinheit nur für verschiedene
Typen statischer und dynamischer Belastungen einstellbar ist, z.
B. können
eine Niveauregulierung und eine Querstabilisierungssteuerung bereitgestellt werden,
die ein relativ langsames und/oder vorausbestimmbares Verhalten
des Fahrzeugs beinhalten. Sie erlaubt aber keine rasche Einstellung
der Torsionsfedereinheit zum Dämpfen
von Schwingungen in jeder individuell Radaufhängung und ist für eine gleichzeitige
Querstabilisierungssteuerung und Schwingungsdämpfung noch weniger geeignet.
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Ein
bei der vorstehend beschriebenen Lösung auftretendes weiteres
Problem ist, dass sie nicht zum Steuern der Resonanzfrequenz der
Fahrzeugkarosserie geeignet ist. Diese Frequenz steht mit der Vertikalbewegung
der gesamten Fahr zeugkarosserie in Beziehung und kann bei verschiedenen Kombinationen
der Fahrzeuggeschwindigkeit und einer leicht wellenförmigen Straßenoberfläche auftreten.
Außer
dass sie eine Unbequemlichkeit für
die Insassen hervorruft, kann diese Vertikalbewegung auch die Aufhängung beschädigen, insbesondere wenn
ein Teil der Aufhängung
seine maximale untere Endposition erreicht.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Fahrzeugradaufhängungsanordnung
bereitzustellen, die insbesondere als integrierte Radaufhängungseinheit
mit Funktionen primär
zum Lenken und vorzugsweise auch für den Antrieb und zum Bremsen
jedes einzelnen Fahrzeugrades verwendbar ist. Durch die Erfindung
werden im Vergleich zu herkömmlichen
Radaufhängungssystemen mehrere
Vorteile erzielt. In erster Linie sollte erwähnt werden, dass die Erfindung
eine hochgradig integrierte Radaufhängungsanordnung bildet. Dies
wird durch ein Verfahren und eine Anordnung erreicht, deren Merkmale
in den beigefügten
Patentansprüchen 1
und 7 und ihren jeweiligen abhängigen
Patentansprüchen
dargestellt sind.
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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß Patentanspruch 7 zum Implementieren
einer Dämpfungssteuerung
in einer Fahrzeugaufhängung,
wobei eine Aufhängungsanordnung
für jedes
Rad mindestens zwei Lenker bzw. Verbindungselemente aufweist, die
ein Rad mit einem Fahrzeugfahrgestell bzw. Fahrgestell verbinden,
und wobei eine Torsionsfedereinheit Teil eines der Lenker bzw. Verbindungselemente
ist. Die Torsionsfedereinheit weist eine einstellbare Torsionsfeder
und einen Drehungsdämpfer bzw.
Drehdämpfer
auf, die durch ein Anbringungsteilstück bzw. einen Befestigungsabschnitt
miteinander verbunden sind, wobei der Drehdämpfer und die Tor sionsfeder
mit dem Fahrgestell verbunden sind und der Befestigungsabschnitt
mit dem Verbindungselement verbunden ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist einer mindestens eines Paars von Verbindungsarmen
zwischen dem jeweiligen Rad und der Fahrzeugkarosserie verbunden,
wobei der eine Verbindungsarm eine Torsionsfedereinheit zum Steuern
von Schwingungen der Fahrzeugkarosserie und jedes einzelnen Rades
sowie einer Niveauregulierung des Rades und einer (Quer)stabilisations- oder
Anti-Eintauch(Anti-Dive)funktion
des Fahrzeugs aufweist. Auf diese Weise wird ein Vorteil dahingehend
erzielt, dass das Fahrzeug keinen herkömmlichen Stoßdämpfer und
keinen herkömmlichen
mechanischen Querstabilisator benötigt.
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Jede
einzelne Torsionsfeder ist dazu geeignet, ihren Teil des Fahrzeuggewichts,
vollständig oder
teilweise, aufzunehmen, um das Niveau des Fahrzeugs einzustellen,
Schwingungen in der Aufhängung
zu dämpfen
und die Resonanzfrequenz der Fahrzeugkarosserie zu steuern. Jeder
Drehdämpfer ist
dazu geeignet, die Dämpfung
der Fahrzeugaufhängung
für die
Querstabilisations- und Anti-Eintauchfunktionen zu optimieren.
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Die
Torsionsfedereinheit hat eine einstellbare Federrate bzw. Federkonstante,
die rasch einstellbar ist, um niederfrequente Schwingungen in jeder einzelnen
Aufhängung
zu dämpfen.
Die Federkonstante kann bezüglich
einer Vorspannposition der Torsionsfedereinheit eingestellt werden.
Dies wird durch eine mit der Torsionsfedereinheit integrale Motoreinheit
erzielt, wobei der Motor die Federkonstante in Antwort auf eine
erfasste Bewegung des zugeordneten Rades und der Aufhängungsverbindungselemente
einstellt. In einer bevorzugten Ausführungsform dämpft die
Torsionsfedereinheit niederfrequente Schwingungen. Dieses Merkmal
kann zum Steuern der Resonanzfrequenz der Fahrzeugkarosserie genutzt
wer den, d. h. einer durch eine unebene oder wellenförmige Straßenoberfläche verursachten
niederfrequenten Vertikalbewegung der Karosserie.
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Der
den Drehdämpfer
und die Torsionsfedereinheit verbindende Befestigungsabschnitt ist
vorzugsweise eine Getriebeeinheit, z. B. ein Planetengetriebe, wobei
der Außenring
der Einheit als Befestigungsstelle für einen Verbindungsarm dienen
kann. Dieser Verbindungsarm kann direkt oder über einen weiteren Verbindungsarm
mit einer Radnabe verbunden sein.
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Um
eine rasche Einstellung der Torsionsfeder zu erhalten, weist sie
einen Elektromotor zum Einstellen der Federkonstante auf. Diese
rasche Einstellung der Federkonstante soll primär dazu dienen, vertikale Schwingungsbewegungen
des jeweiligen Rades bezüglich
der Fahrzeugkarosserie und/oder eine Bewegung der Fahrzeugkarosserie
bezüglich der
Räder zu
dämpfen.
Die erstgenannte Bewegung ist eine durch eine unebene Straßenoberfläche verursachte
relativ hochfrequente Schwingungsbewegung, der durch die Aufhängung direkt
entgegengewirkt werden kann. Die letztgenannte Bewegung ist eine
relativ niederfrequente Schwingungsbewegung, die durch eine Kombination
von Faktoren beeinflusst wird, z. B. durch die Eigen- oder Resonanzfrequenz der
Fahrzeugkarosserie, die Federkonstante der Aufhängung, die Fahrzeuggeschwindigkeit
und eine allgemeine Wellenform der Straßenoberfläche. Es können zwei Arten von Schwingungen
auftreten, sowohl vollständig
unabhängig
voneinander als auch in Kombination, wofür verschiedene Steuerungsstrategien
für die
dämpfende
Torsionsfedereinheit erforderlich sind. Die elastischen Teile der
Torsionsfeder sind vorzugsweise aus Gummi oder einem ähnlichen
geeigneten Material hergestellt. Die Eigenschaften der Torsionsfeder
können
durch Ändern
der Materialart, des Quer schnitts jedes Elements und die Anzahl
der die Torsionsfeder bildenden Elemente ausgewählt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform besteht
die Torsionsfeder aus mehreren ringförmigen Elementen. Auf diese
Weise kann ein Elektromotor im Inneren einer ringförmigen Torsionsfeder
angeordnet werden. Durch diese Anordnung des Motors wird die Torsionsfeder
relativ dünn
und schlank, so dass sie ein kleines Trägheitsmoment und schnelle Beschleunigungs-
und Verzögerungseigenschaften aufweist.
Ein Ende der Torsionsfeder ist am Fahrgestell des Fahrzeugs befestigt
und fixiert, während
der Elektromotor auf das andere Ende einwirkt. Der Befestigungsabschnitt
ist am letztgenannten Ende montiert. Durch eine schnelle Steuerung
des Motors kann die Torsionsfeder sowohl zum Ausüben einer Vorspannung auf das
zugeordnete Verbindungselement als auch zum Dämpfen von Schwingungsbewegungen
verwendet werden, die über
das Verbindungselement vom zugeordneten Rad übertragen werden.
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In
Abhängigkeit
von den Elementen, aus denen die Torsionsfeder besteht, kann der
Elektromotor auch an einem Außenende
der Torsionsfeder angeordnet werden. Dies kann der Fall sein, wenn
ein leistungsstärkerer
Motor erforderlich ist oder die Abmessungen eines derartigen Motors
den im Inneren der Torsionsfedereinheit zur Verfügung stehenden Raum überschreiten.
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Das
Verhältnis
zwischen der Winkelverdrehung der Torsionsfeder und der Drehbewegung
des Elektromotors zum Erhalten des bestimmten Verdrehungswinkels
kann durch Einfügen
einer Getriebeeinheit zwischen die Torsionsfeder und dem Motor modifiziert
werden. Diese Getriebeeinheit ist vorzugsweise ein zwischen dem
Drehdämpfer
und der Torsionsfeder angeordnetes Planetengetriebe. Für ein Planetengetriebe
würde der
Befestigungsabschnitt auf dem Außenring des Getriebes montiert.
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Der
Drehdämpfer
ist vorzugsweise an einem Ende am Fahrzeugfahrgestell und am anderen
Ende an der Torsionsfeder befestigt. Wenn eine Getriebeeinheit verwendet
wird, würden
der Drehdämpfer
und die Torsionsfeder an gegenüberliegenden
Seiten der Getriebeeinheit montiert. Der Drehdämpfer ist vorzugsweise ein
Drehflügeldämpfer. Derartige
Drehflügeldämpfer können in
Abhängigkeit
von der verfügbaren
Spannungsversorgung und der erforderlichen Ausgangsleistung elektrorheologische
oder magnetorheologische Dämpfer
sein.
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Die
beschriebene Torsionsfedereinheit ist dazu geeignet, relativ niederfrequente
Schwingungen zu dämpfen,
um die Resonanzfrequenz der Fahrzeugkarosserie zu steuern, und/oder
relativ hochfrequente Schwingungen für jedes einzelne Rad zu dämpfen. Der
Ausdruck "niederfrequent" bezeichnet in diesem
Zusammenhang Frequenzen bis zu 2–3 Hz, während der Ausdruck "hochfrequent" Frequenzen bis zu
15 Hz bezeichnet. Durch Steuern der Schwingungen der Fahrzeugkarosserie
und/oder des jeweiligen Rades bei oder in der Nähe der jeweiligen Resonanzfrequenzen
werden ein verbesserter Komfort und verbesserte Straßenhaftungseigenschaften erhalten.
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Das
an der Torsionsfedereinheit befestigte Verbindungselement ist ein
oberer Verbindungsarm, obwohl innerhalb des Umfangs der Erfindung
andere Anordnungen möglich
sind. Die Aufhängungsanordnung
weist ferner Blattfedern auf, die durch die Torsionsfedereinheit
indirekt vorspannbar sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird das statische Gewicht des Fahrzeugs anstatt durch jede der
Torsionsfedereinheiten durch die Blattfedern aufgenommen. Infolgedessen
können
kleinere Torsionsfedereinheiten und/oder Einheiten verwendet werden,
die ein schnelleres Ansprechverhalten für die Dämpfungssteuerung ermöglichen.
Jede Torsionsfedereinheit kann dann zum Steuern des Niveaus oder
der Bodenfreiheit des Fahrzeugs oder eines Teils davon in Abhängigkeit
von der Be lastung des Fahrzeugs vorgespannt werden. Das Vorspannen
der Torsionsfedereinheit kann auch zum Steuern der Aufhängungseigenschaften
oder zum Ändern
der Bodenfreiheit in Antwort auf durch den Fahrer vorgenommene Einstellungen,
z. B. "Sport" oder "Off-Road", verwendet werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den beigefügten
abhängigen
Patentansprüchen
charakterisiert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
ausführlich
beschrieben. Die Zeichnungen dienen lediglich zur Erläuterung
und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keinerlei Hinsicht
einschränken;
es zeigen:
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1 eine
Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Aufhängungsanordnung mit einer Torsionsfedereinheit;
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2 eine
Vorderansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Aufhängungsanordnung mit einer Torsionsfedereinheit;
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3 eine
Vorderansicht einer weiteren alternativen erfindungsgemäßen Aufhängungsanordnung
mit einer Torsionsfedereinheit;
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4 eine
Draufsicht einer erfindungsgemäßen Torsionsfedereinheit;
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5 eine
Querschnittansicht in der axialen Richtung durch die Torsionsfedereinheit
von 4;
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6 eine
Querschnittansicht durch eine Getriebeeinheit der Torsionsfedereinheit
von 5;
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7 eine
Querschnittansicht durch einen Drehdämpfer der Torsionsfedereinheit
von 5; und
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8 ein
Expansions- und Nachfüllventil des
Drehdämpfers
der Torsionsfedereinheit von 5.
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Techniken zum Implementieren
der Erfindung
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Obwohl
nachstehend einzelne Torsionsfedereinheiten beschrieben werden,
sollen sie als Satz identischer Einheiten verwendet werden, die
in ihrer jeweiligen Radaufhängungsanordnung
eines Fahrzeugs mit drei oder mehr Rädern integriert sind.
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1 zeigt
eine an einem Fahrzeugfahrgestell 1 befestigte Aufhängungsanordnung.
Die Aufhängungsanordnung
weist einen oberen Verbindungsarm 2 mit einem Außenabschnitt
auf, der durch einen ersten Bolzen 4, der an einer mit
einer vertikalen Mittelachse durch eine Radnabe 3 übereinstimmenden
Position angeordnet ist, und durch mindestens einen weiteren Bolzen
an seinem äußersten Ende
an einem oberen Abschnitt der Radnabe 3 befestigt ist.
Ein Fahrzeugrad 5 ist auf herkömmliche Weise an der Nabe 3 befestigt.
Ein Innenende des oberen Verbindungsarms 2 ist durch ein
Drehgelenk 7, das an einem Außenende eines Hebelarms 8 befestigt
ist, der an einer Torsionsfedereinheit 6 fixiert ist und
sich radial davon erstreckt, an der Torsionsfedereinheit 6 befestigt.
Für ein
gelenktes Rad wird das Drehgelenk 7 durch ein Kugelgelenk
ersetzt, das auch als Kugelzapfengelenk bezeichnet wird. Die Torsionsfedereinheit 6 ist
mit ihrer Hauptachse im Wesentlichen parallel zur Längsachse
des Fahrzeugs angeordnet und an beiden Enden an einem Halter 9 (von
denen nur einer dargestellt ist) am Fahrgestell 1 befestigt.
Die Aufhängung
weist ferner ein Paar identische untere Verbindungsarme 10 (von
denen nur einer dargestellt ist) auf, die jeweils einen Außenabschnitt
aufweisen, der durch Drehgelenke 11 (von denen nur eines
dargestellt ist), die auf jeder Seite der vertikalen Mittelachse
durch die Radnabe 3 angeordnet sind, an einem unteren Abschnitt
der Radnabe 3 befestigt ist. Die Innenenden der unteren Verbindungsarme 11 sind mit
einem Paar Drehgelenken 12 (von denen nur eines dargestellt
ist) auf dem Fahrgestell 1 verbunden. Wie in 1 ersichtlich
ist, ist die Hauptachse der Torsionsfedereinheit 6 über dem
oberen Drehpunkt der Nabe 3 angeordnet, d. h. über dem äußeren Drehgelenk 4 des
oberen Verbindungsarms 2.
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Der
Verbindungsarm oder das an der Torsionsfedereinheit befestigte Ende
des Hebels kann in Abhängigkeit
von der gewünschten
Funktion des Rades auf verschiedene Weisen an der Radnabe befestigt
werden. Für
ungelenkte Räder
wird ein einfaches Drehgelenk ausreichend sein, während für gelenkte Räder ein
Kugelgelenk oder ein ähnliches
Gelenk erforderlich sein wird.
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2 zeigt
eine alternative Aufhängungsanordnung,
wobei das sich von der Torsionsfedereinheit 6 erstreckende
Ende des Hebelarms 8 direkt an einem Kugelgelenk 13 auf
der Radnabe 3 befestigt ist. Diese Anordnung ist insbesondere
für ein
gelenktes Rad geeignet. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann das Kugelgelenk 13 für ein ungelenktes
Rad durch ein Drehgelenk ersetzt werden. Die unteren Verbindungsarme 10 sind
auf die gleiche Weise angeordnet wie vorstehend in Verbindung mit 1 beschrieben wurde.
Wie bei der Ausführungsform
von 1 ist die Torsionsfedereinheit 6 an beiden
Enden mit dem Fahrgestell 1 verbunden. Außerdem weist
das Fahrgestell 1 über
dem Hebelarm 8 einen elastischen Stopper oder Dämpfer 14 zum
Begrenzen der vertikalen Ablenkung des Hebelarms 8 auf.
Aufgrund der Fahrgestellkonfiguration ist dieser Dämpfer nur
in 2 dargestellt, obwohl er in allen Ausführungsformen
angeordnet sein wird, in denen ein Teil der Aufhängung in einer extremen Endposition
mit dem Fahrgestell in Kontakt kommen kann. Der elastische Stopper
oder Dämpfer 14 ist
ein Standard-Gummidämpfer.
Wie in 2 ersichtlich ist, ist die Hauptachse der Torsionsfedereinheit 6 im
Wesentlichen auf der gleichen Höhe
angeord net wie der obere Drehpunkt der Nabe 3, d. h. das äußere Drehgelenk 13 des
Hebelarms 8.
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3 zeigt
eine weitere alternative Aufhängungsanordnung,
wobei das Außenende
eines allgemein L-förmigen
Verbindungsarms 15 an einem Drehgelenk 16 auf
der Radnabe 3 befestigt ist. Für ein gelenktes Rad wird das
Drehgelenk durch ein Kugelgelenk ersetzt. Das Innenende des Verbindungsarms 15 ist
im Wesentlichen auf gleicher Höhe
wie das Drehgelenk 16 am Fahrgestell 1 befestigt.
Ein abgewinkelter unterer Abschnitt des L-förmigen Verbindungsarms 15 ist über einen
zweiten Verbindungsarm 17 mit dem Hebelarm 8 der
Torsionsfedereinheit 6 verbunden. Der zweite Verbindungsarm 17 weist
ein erstes Drehgelenk 18 auf dem unteren Abschnitt des
L-förmigen Verbindungsarms 15 und
ein zweites Drehgelenk 19 am Ende des Hebelarms 8 auf.
Der zweite Verbindungsarm 17 ist derart positioniert, dass
eine Linie durch seine Drehgelenke 18, 19 sich
in Abhängigkeit
von der auf die Torsionsfedereinheit 6 ausgeübten aktuellen
Last durch oder in der Nähe
des oberen Drehpunktes der Nabe 3 erstrecken wird. Wie
in 3 ersichtlich ist, ist die Hauptachse der Torsionsfedereinheit 6 unter
dem oberen Drehpunkt der Nabe 3 angeordnet, d. h. unter
dem äußeren Drehgelenk 16 des
oberen Verbindungsarms 15.
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Die
in den 1–3 dargestellten
Beispiele weisen ein Paar parallele untere Verbindungsarme auf.
Diese Arme können
entweder gemeinsam oder einzeln ausgefahren oder eingefahren werden, um
Lenk-, Sturz-/Nachlaufeinstellungs- und andere Steuerungsfunktionen
auszuführen.
Diese Merkmale bilden keinen Teil der vorliegenden Patentanmeldung und
werden daher nicht näher
beschrieben.
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In
Verbindung mit den in den 1–3 dargestellten,
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
wurde aufgezeigt, wie die Torsionsfedereinheit in Abhängigkeit
vom Fahrge stelltyp und vom für
die Montage der Aufhängung
zur Verfügung stehenden
Raum positioniert werden kann. Die Aufhängungsanordnung weist ferner
Blattfedern auf, die durch die Torsionsfeder indirekt vorspannbar
sind.
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4 zeigt
eine Draufsicht einer in den 1–3 dargestellten
Torsionsfedereinheit 6. Die Einheit weist eine Torsionsfeder 20 und
einen Drehdämpfer 21 auf,
die durch eine Anbringungseinheit bzw. Befestigungseinheit 22 miteinander
verbunden sind. Die Befestigungseinheit 22 weist ein Planetengetriebe
auf, wobei der sich radial erstreckende Hebelarm 8 an einem
Gehäuse
montiert ist, das tatsächlich
ein Außenring
des Getriebes bildet. Das Planetengetriebe wird nachstehend ausführlich beschrieben.
Der Hebelarm 8 weist ein Paar identische Abschnitte 23a, 23b auf,
die durch eine Mutter-Bolzen-Verbindung 25 an einem Vorsprung 24 auf
der Befestigungseinheit 22 befestigt sind. Diese Verbindung 25 ist
vorzugsweise in einer Gummibuchse (nicht dargestellt) montiert,
um zu verhindern, dass Schwingungen in das Gehäuse der Torsionsfedereinheit übertragen
werden, und in diesem Fall auf den Außenring der Getriebeeinheit.
Längskräfte, die
in der Aufhängung
hauptsächlich
während
eines Brems- oder Beschleunigungsvorgangs auftreten, werden durch
die unteren Verbindungsarme 10 aufgenommen. Aufgrund einer
elastischen Ablenkung der Radaufhängung in Längsrichtung muss die Anordnung
jedoch kleinere Bewegungen zwischen dem Außenende des Hebelarms 8 und
der Torsionsfedereinheit selbst aufnehmen können. Diese Bewegung erstreckt
sich normalerweise über
einen Bereich von 10–20
mm. Das Außenende
des Hebelarms 8 weist ein Kugelgelenk 26 mit einem
Befestigungsbolzen 27 auf, der sich im Wesentlichen parallel
zu einer X-Achse durch die Torsionsfedereinheit 6 erstreckt.
Das Kugelgelenk 27 ist dazu geeignet, entweder mit einem
Verbindungsarm 2, 15 oder einer Radnabe 3 verbunden
zu werden, wie vorstehend beschrieben wurde. Die jeweiligen Enden
der Torsionsfeder 20 und des Drehungsdämpfers bzw. Drehdämpfers 21 weisen
jeweils Befestigungspunkte 29a, 29b bzw. 28 zum
Befestigen der Torsionsfeder- oder -dämpfungseinheit 6 am
Fahrgestell auf.
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5 zeigt
einen Längsschnitt
(X-X in 4) der in Verbindung mit 4 beschriebenen Torsionsfeder-
oder -dämpfungseinheit 6.
Die Torsionsfeder 20 wird aus mehreren identischen elastischen
Elementen 30 gebildet, die jeweils ein zwischen einem Paar
identischen und gegenüberliegenden
Stahlscheiben 32 angeordnetes ringförmiges Gummisegment 31 aufweisen.
Die Gummisegmente 31 und die Stahlscheiben 32 werden
vorzugsweise zusammen vulkanisiert. Außerdem weisen die Außenflächen der
Stahlscheiben ein Rippenmuster oder Zähne zum Verhindern einer relativen
Drehbewegung zwischen benachbarten Elementen 30 auf, wenn
diese stapelförmig
angeordnet sind und zusammengedrückt
werden, wie in 5 dargestellt ist. Die Dicke
der Gummisegmente 31, der Innen- und Außendurchmesser der miteinander
wechselwirkenden Scheiben 32 und die Anzahl der Elemente sind
durch die durch die Torsionsfeder aufzunehmende Last bestimmt. Ein
Außenelement 30a des
Stapels von Elementen 30 ist durch einen ringförmigen Endabschnitt 33 der
Torsionsfeder 20 in Position fixiert, wobei der Endabschnitt 33 durch
die Befestigungspunkte 29a, 29b am Fahrgestell
befestigt ist. Am Innendurchmesser des ringförmigen Endabschnitts 33 ist
ein Lager 34 angeordnet, das durch eine ringförmige Klammer 35 in
Position gehalten wird. Die Klammer 35 ist durch eine Gewindeverbindung
in einer gleitenden Verbindung mit dem Innendurchmesser der elastischen
Elemente 30 an einem ersten Ende einer drehbaren rohrförmigen Buchse 36 befestigt.
Die rohrförmige
Buchse 36 weist an ihrem gegenüberliegenden, zweiten Ende eine
ringförmige
Scheibe 37 auf, die ein inneres Element 30b des
Stapels von Elementen 30 hält. Die ringförmige Scheibe 37 ist bezüglich des
Stapels von Elementen 30 drehbar und mit dem Befestigungsabschnitt 22 um
ihren Außenumfang
integral ausgebildet.
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Innerhalb
des Umfangs der Erfindung können
natürlich
andere Materialien für
die Elemente verwendet werden. Die Stahlscheiben können auch aus
anderen Metallen hergestellt werden, z. B. aus Aluminium oder Magnesium,
oder aus Kunststoffmaterialien, wie beispielsweise Polyamid. Außerdem können die
Gummisegmente durch ein beliebiges geeignetes natürliches
oder synthetisches Material mit den erforderlichen elastischen Eigenschaften
ersetzt werden.
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Der
Stapel von Elementen 30 kann durch einen im Inneren der
rohrförmigen
Buchse 36 angeordneten Elektromotor vorgespannt werden.
Der Motor weist einen an der Innenfläche der rohrförmigen Buchse 36 befestigten
Stator 38 und einen an einer Achse 40 befestigten
Rotor 39 auf. Das äußere Ende der
Achse 40 ist in einem Lager 41 gelagert, das an der
Innenseite der ringförmigen
Klammer 35 befestigt ist, und ihr inneres Ende ist in einem
Lager 42 gelagert, das an der Innenseite der ringförmigen Scheibe 37 befestigt
ist. Das äußere Ende
der Achse 40 wird durch eine gegen das Lager 41 wirkende
Mutter 43 in Position gehalten, während das innere Ende durch einen
Erweiterungsabschnitt 44 in der Nähe des inneren Endes der Achse 40 positioniert
ist. Die Achse 40 weist an ihrem innersten Ende ein Zahnrad 45 auf, das
Teil eines nachstehend ausführlich
beschriebenen Planetengetriebes ist.
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6 zeigt
einen Querschnitt (A-A in 5) durch
das innerhalb des Befestigungsabschnitts 22 angeordneten
Planetengetriebes. Die Figur zeigt außerdem den Querschnitt C-C
durch die in 5 dargestellte Getriebeeinheit.
Das zentrale Sonnenrad 45 kämmt mit drei umgebenden ersten
ringförmigen Zahnrädern 46, 47, 48,
die mit einem am Befestigungsabschnitt 22 befestigten ersten
Außenzahnring 49 käm men. Die
ersten ringförmigen
Zahnräder 46, 47, 48 sind
auf einem zweiten ringförmigen
Zahnrad 50, 51 bzw. 52 montiert. Dies
wird dadurch erreicht, dass an den zweiten ringförmigen Zahnrädern 50, 51, 52 zylinderförmige Vorsprünge ausgebildet
sind, deren Außendurchmesser
den Innendurchmessern der ersten ringförmigen Zahnräder 46, 47, 48 entsprechen.
Außerdem
sind die ersten ringförmigen
Zahnräder 46, 47, 48 bezüglich den
zweiten ringförmigen Zahnrädern 50, 51, 52 fixiert.
Schließlich
kämmen
die zweiten ringförmigen
Zahnräder 50, 51, 52 mit
einem zweiten Außenzahnring 53,
der in einem Lager 54 bezüglich des Befestigungsabschnitts 22 gelagert
ist (vergl. 5). Der erste Außenzahnring 49 hat
einen etwas größeren mittleren
Durchmesser als der zweite Außenzahnring 53.
Wenn das Sonnenrad 45 sich dreht, wird durch die Anordnung
eine Drehzahlminderung verursacht, wodurch ein höheres Drehmoment zu den Außenzahnringen 49 und 53 übertragen wird.
Die geteilte Zahnradanordnung der ersten und zweiten ringförmigen Zahnräder und
der Außenzahnringe
verursacht eine Drehzahldifferenz zwischen den äußeren Ringen. Wenn der erste äußere Ring 49 am
Befestigungsabschnitt 22 befestigt ist, wird das Drehmoment
zum zweiten, gelagerten Außenzahnring 53 übertragen.
Der zweite Außenzahnring 53 weist
mehrere Vorsprünge 55 auf,
die sich durch eine entsprechende Anzahl von als kreisförmige Bögen ausgebildeten
Schlitzen 56 in der ringförmigen Scheibe 37 erstrecken.
Die Vorsprünge 55 stehen
mit einer ringförmigen
Endwand 57 in Eingriff, die mit einem inneren Element 30b des
Stapels von Elementen 30 in festem Kontakt stehen.
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Im
Betrieb wird der Elektromotor 38, 39 aktiviert,
der die Achse 40 in die gewünschte Richtung dreht. Die
Drehbewegung der Achse 40 wird durch das Planetengetriebe übertragen,
wodurch eine relative Drehbewegung zwischen den Außenzahnringen 49 und 53 verursacht
wird. Wenn der zweite Außen zahnring 53 sich
dreht, kommen die Vorsprünge 55 mit
dem innersten Element 30b des Stapels von Elementen 30 in
Eingriff, wodurch eine Vorspannkraft auf die Torsionsfeder 20 ausgeübt wird.
Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
kann der zweite Außenzahnring 53 das
innere Element 30b veranlassen, sich bis zu ±60° bezüglich des
festen Außenelements 30a zu
drehen.
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Das
Planetengetriebe kann durch ein andersartiges Reduktionsgetriebe
ersetzt werden. Ein derartiges Getriebe weist eine durch den Motor
angetriebene Exzenterscheibe auf, die in einem Achslager oder Gleitlager
eines Zahnrades drehbar ist. Das Zahnrad ist im Inneren eines Außenzahnrings
angeordnet, so dass der Versatz der Exzenterscheibe der Radiendifferenz
zwischen dem Zahnrad und dem Außenzahnring
entspricht. Eine Drehbewegung der Exzenterscheibe wird eine Drehbewegung
des Zahnrades bezüglich
des Außenzahnrings
verursachen, wodurch eine Drehzahlminderung erhalten wird.
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Gemäß einer
weiteren Alternative können der
Elektromotor und die Getriebeeinheit durch einen Hydraulikmotor
ersetzt werden. Das durch einen Hydraulikmotor erzeugte Drehmoment
ist zum Vorspannen der Torsionsfeder ohne die Unterstützung durch ein
Reduktionsgetriebe ausreichend.
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Gemäß einer
Ausführungsform
sind die einzelnen Torsionsfedern derart dimensioniert, dass sie das
Gewicht des gesamten Fahrzeugs aufnehmen. Hierfür sind ein relativ großer Stapel
von Elementen und ein Elektromotor erforderlich, der ausreichend groß ist, um
alle Bewegungen der Aufhängung
zu steuern.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird das Gewicht des Fahrzeugs in seinem unbeladenen Zustand durch
Blattfedern aufgenommen. Hierfür sind
ein relativ kleiner Stapel von Elementen und ein entsprechend kleinerer
Elektromotor erforderlich. Weil durch diese Anordnung eine kompaktere Einheit mit
einer längeren
Lebenszeit erhalten wird, ist dies auch die bevorzugte Ausführungsform.
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Die
Blattfedern sind derart dimensioniert, dass dem Fahrzeug eine vorgegebene
Bodenfreiheit über
dem Bodenniveau verliehen wird. Diese Bodenfreiheit kann durch Vorspannen
der Torsionsfedern 20 für
verschiedene Lastbedingungen aufrechterhalten werden. In Abhängigkeit
von der Art der Lastbedingung können
die Torsionsfedern in die gleichen oder in verschiedene Richtungen
vorgespannt werden. Dadurch kann das gesamte Fahrzeug oder ein Teil
davon bezüglich
den für
Normallastbedingungen ausgelegten Blattfedern angehoben oder nach
unten gezogen werden. Auf diese Weise werden die Blattfedern immer
den gleichen Kompressionszustand haben, wodurch die gleiche Bodenfreiheit
des Fahrzeugs erhalten wird. Die Position, bei der durch die Torsionsfeder
eine Nullkraft ausgeübt
wird, wird vorzugsweise derart ausgewählt, dass sie einem normalen
Belastungsfall angepasst ist, z. B. einem leeren Fahrzeug oder einem
Fahrzeug mit 2–3
Insassen. Dadurch kann die Torsionsfeder bezüglich ihrer unbelasteten oder
Nulllastposition in beide Richtungen wirken.
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Die
Anordnung kann auch derart gesteuert werden, dass mehrere verschiedene
Aufhängungseinstellungen
bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Torsionsfeder zum
Anheben des Fahrzeugs in einer "Off-Road"-Einstellung oder
zum Herabziehen des Fahrzeugs in einer "Sport"- oder "Rennen"-Einstellung
verwendet werden. Diese Bodenfreiheiteinstellungen werden bezüglich den
für Normallastbedingungen
ausgelegten Blattfedern vorgenommen, wie vorstehend beschrieben
wurde.
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7 zeigt
einen Querschnitt (B-B in 5) durch
den Drehdämpfer
und ein zugeordnetes Nachfüllventil.
Die Figur zeigt außerdem
einen Querschnitt D-D durch den in 5 dargestellten
Drehdämpfer. Der
Drehdämpfer 21 ist
an der gegenüberliegenden Seite
des Planetengetriebes befestigt. Dieser Dämpfer ist vorzugsweise ein
elektrorheologischer Drehflügeldämpfer. Durch
Regeln des durch das Fluid fließenden
Stroms kann dessen Viskosität
geändert werden,
wodurch die Dämpfungseigenschaften
des Drehdämpfers 21 geändert werden
können.
Der Dämpfer 21 weist
ein innerhalb eines im Wesentlichen zylindrischen Hohlraums 61 in
einem Gehäuse 62 angeordnetes
Drehflügelelement 60 auf.
Der Hohlraum 61 weist zwei Kammern 63, 64 auf,
die durch eine mittlere, sich in Längsrichtung erstreckende Verengung 65 getrennt
sind. Das Drehflügelelement 60 weist
einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt 66 auf, wobei
die Längsachsen
des Hohlraums 61 und des Drehflügelelements 60 mit
der Hauptachse der Torsionsfedereinheit übereinstimmen. Der zylindrische
Abschnitt 66 ist innerhalb der Verengung 65 drehbar
und verhindert effektiv einen Fluidfluss zwischen den beiden Kammern 63 und 64 entlang
der gesamten Länge
der Verengung 65. Das Drehflügelelement weist außerdem zwei
Flügel 67, 68 auf,
wobei sich jeder Flügel
vom zylindrischen Abschnitt 66 radial in eine entsprechende
der Kammern 63, 64 erstreckt. Die Flügel 67, 68 erstrecken
sich bis zu einem kleinen Abstand von der Innenwand ihrer jeweiligen
Kammer und weisen an ihren Enden einen am Umfang erweiterten Abschnitt
auf. Das Drehflügelelement 60 erstreckt
sich durch die gesamte Länge
des Hohlraums 61, und seine Endflächen stehen mit den jeweiligen
Endflächen
des Hohlraums 61 in Gleitkontakt, wie in 5 dargestellt
ist. Durch diese Konstruktion wird das im Hohlraum 61 enthaltene Fluid
dazu gezwungen, durch ein Paar schmale Spalte zwischen den Hohlraumwänden und
den Enden des Drehflügelelements
zu strömen,
wenn sich das Drehflügelelement 60 dreht.
Ein Lager 69 ist in einer Öffnung einer am Außenende
angeordneten Wand 70 des Drehdämpfers angeordnet. Das Drehflügelelement 60 weist
einen sich von einem Ende erstreckenden und im Lager 69 gelagerten
zylindrischen Schaft auf. Dieser Schaft bildet den Befestigungspunkt 28 des
Drehbewegungsdämpfers
am Fahrgestell, d. h., dass das Drehflügelelement 60 stationär gehalten
wird, wenn das Gehäuse 62 gedreht
wird. An seinem gegenüberliegenden
Ende weist das Drehflügelelement 60 ein
weiteres Lager 71 auf, das zwischen einer inneren Zylinderfläche des
Drehflügelelements 60 und
einer Außenzylinderfläche eines Vorsprungs 72 auf
dem Befestigungsabschnitt 22 befestigt ist. Um dies zu
ermöglichen,
ist das Drehflügelelement 60 hohl
ausgebildet, wodurch außerdem Gewicht
eingespart wird. Das Gehäuse
des Drehdämpfers 62 ist
durch vier Bolzen 59 an einer Endwand 58 befestigt,
die dem Dämpfer
und der Getriebeeinheit gemeinsam ist.
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Zum Ändern der
Dämpfungseigenschaften des
Drehdämpfers
werden ein Paar elektromagnetische Vorrichtungen 73, 74 zum Ändern der
Viskosität des
im Hohlraum 61 enthaltenen Fluids bereitgestellt. Die elektromagnetischen
Vorrichtungen 73, 74 weisen ein Paar Eisenkerne
mit zugeordneten Wicklungen auf, wie in den 5 und 7 dargestellt
ist. Der Dämpfer
kann auch ein elektrorheologischer Dämpfer sein, der eine elektrische
Einrichtung zum Steuern der Viskosität verwendet, die auf das Fluid im
Dämpfer
einwirkt. Sowohl elektrorheologische als auch magnetorheologische
Dämpfer
sind bekannt und werden daher nicht näher beschrieben.
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Der
Drehdämpfer
weist ferner ein Nachfüllventil 75 auf,
wie in 8 dargestellt ist. Diese Figur zeigt eine vergrößerte Ansicht
des Querschnitts (B-B in 5) durch den Drehdämpfer. Das
Ventil 75 ist dazu geeignet, den Hohlraum unter Druck zu
halten und durch Verluste verlorene Flüssigkeit zu ersetzen.
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Das
Nachfüllventil 75 weist
einen Körper 76 mit
einem zylindrischen Hohlraum 77 auf. Das Ventil 75 ist
in einen Hohlraum 78 im Dämpfergehäuse 62 eingeschraubt,
wobei der Hohlraum 78 mit dem Innenhohlraum 61 des
Dämpfers
in Fluidkommunikation 79 steht. Der Körper 76 weist eine
Außendichtung 80 zwischen
seinem Außenumfang
und dem Hohlraum 78 im Gehäuse 62 auf. Der zylindrische
Hohlraum 77 enthält
einen Schieberventilkörper 81,
der durch eine Feder vorgespannt ist, um einen Druck auf das Fluid
im Innenhohlraum 61 auszuüben. Dies wird durch eine Spiralfeder 82 zwischen
dem Schieberventilkörper 81 und
der Endfläche
des Körpers 76 bewirkt.
Am Außenende
des Schieberventilkörpers 81 ist
ein durch eine Feder vorgespanntes Absperrventil 83 angeordnet,
das eine Strömung
von einem Außenhohlraum 84 des
Schieberventilkörpers 81 zu einem
Innenkanal 85 ermöglicht,
der in einer Umfangsnut 86 im Schieberventilkörper 81 endet.
Der mit Nuten versehene Ventilkörper 81 weist
auf jeder Seite der Nut 86 eine Außen- und eine Innendichtung 87, 88 auf.
Die Innendichtung 88 ist in einer zweiten Nut 89 im
Schieberventilkörper 81 angeordnet,
wobei die Nut 89 einen kurzen konischen Abschnitt aufweist,
dessen kleinster Durchmesser an seinem Innenende angeordnet ist.
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Im
Betrieb wirkt der durch eine Feder vorgespannte Schieberventilkörper 81 auf
das im Innenende des zylindrischen Hohlraums 77 enthaltene
Fluid. Dadurch wird ein vorgegebener Druck im Innenhohlraum 61 des
Dämpfers
aufrechterhalten. Sollte ein geringer Verlust auftreten, wirkt der
zylindrische Hohlraum 77 als Reservoir zum Nachfüllen des Dämpfers.
Das Ventil selbst wird nachgefüllt,
indem Fluid vom Außenhohlraum 84 des
Schieberventilkörpers 81 durch
das Absperrventil 83 und den Innenkanal 85 in
die Umfangsnut 86 im Schieberventilkörper 81 gezwungen
wird. Wenn die Nut 86 unter Druck gesetzt ist, wird die
Innendichtung 88 in einen größeren Abschnitt der zweiten
Nut 89 gezwungen. Dadurch kann unter Druck stehendes Fluid
an der Dichtung 88 vorbei in den Innenteil des zylindrischen
Hohlraums 77 strömen.
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Im
Betrieb werden durch (nicht dargestellte) Sensoren in der Aufhängung einer
Zentraleinheit (CPU) Daten über
Bewegungen der Position, den Lenkwinkel und andere mit den jeweiligen
Rädern
in Beziehung stehende Daten zugeführt. In Antwort auf die Daten
und eine mögliche
ausgewählte
Programmeinstellung (Komfort, Sport, Rennen, usw.) wird die CPU
Steuersignale an den Elektromotor der Federeinheit und die elektromagnetischen
Vorrichtungen des Drehdämpfers übertragen.