DE68916589T2

DE68916589T2 - Vorrichtung mit elektromagnetischem Federbein.

Info

Publication number: DE68916589T2
Application number: DE68916589T
Authority: DE
Inventors: Zvi Kurtzman; Keith O Stuart; Blake W Vartosh
Original assignee: Aura Systems Inc
Current assignee: Aura Systems Inc
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1989-05-08
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2009-05-09
Also published as: KR890017101A; ATE108145T1; EP0343809A2; EP0343809A3; KR970000618B1; DE68916589D1; JP2837871B2; US4892328A; EP0343809B1; JPH0237016A; CA1312630C

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufhängungssystem für Kraftfahrzeuge und Kraftfahrzeuge mit einem solchen System. Sie betrifft insbesondere ein besseres aktives Aufhängungssystem sowie eine Stempelanordnung für ein solches System.
Normale passive Fahrwerksaufhängungen verwenden in der Regel einen Stoßdämpfer, der am Rad zwischen dem Chassis und dem Fahrzeugrad montiert ist. Jeder Dämpfer enthält normalerweise ein Fluid, das bestimmte Kräfte dämpft, denen das Fahrzeug ausgesetzt ist. Die Rückstellkräfte werden gewöhnlich von zylindrischen Schraubenfedern erzeugt. Dämpfer und Schraubenfedern sind gewöhnlich so gestaltet, daß sich das Chassis, wenn das Fahrzeug ruht oder mit gleichbleibender Geschwindigkeit auf ebener glatter Fahrbahn fährt, im wesentlichen in einer neutralen Stellung ist. Ist das Fahrzeug veränderlichen Kräften wie einer Schwingung, einer Beschleunigung oder einer Verzögerung ausgesetzt, wenn z. B. stark gebremst wird oder bei einer schnellen Kurvenfahrt, so wirken die Komponenten dieser Kräfte meist verschieden auf die Dämpfer und entsprechenden Schraubenfedern. Da sich die Kräfte zwischen dem Chassis und dem jeweiligen Rad ändern, wird im Dämpfer, um die übertragenen Kräfte zu mildern, ein Fluid (üblicherweise Öl oder Gas) durch ein oder mehrere enge Löcher gepreßt. Die Stoßdämpfer und Schraubenfedern können verständlicherweise die Rückstellkräfte nicht sogleich und nur unvollständig liefern. Folglich wird ein Teil der Kräfte über die Dämpfer und das Fahrzeug weitergeleitet, so daß die Insassen sie spüren. Der Anteil an übertragenen Kräften hängt von der Art der Kraft und der Gestaltung der Schraubenfedern und Dämpfer ab.
Die Art der Kräfte, die auf das Chassis und die Räder wirken, kann sich, wie Fig. 1 genauer zeigt, ändern. Beispielsweise können Schwingungen, die bei der Fahrt auf einer holprigen Straße entstehen, über die Räder an das Chassis weitergeleitet werden. Kräfte dieser Art besitzen meist relativ hohe Frequenzen, siehe Kurve B in Fig. 1.
Auch vergleichsweise niederfrequente Kräfte (siehe Kurve A in Fig. 1) beeinträchtigen die Stabilität des Chassis; z. B. bewirkt eine Beschleunigung/Verzögerung Unterschiede in der Trägheit und im Moment, die das Chassis relativ zu den Rädern bewegen. Schnelle Kurvenfahrten erzeugen relativ niederfrequente Fliehkräfte. Diese greifen am Chassis an und bewegen es gegenüber den Rädern.
Ein Hauptproblem bei den Fluidstoßdämpfern und den Federn besteht darin, daß sie entweder nur für niederfrequente (Stabilität) oder nur für höherfrequenten Kräfte (Schwingungen), die am Chassis und den Rädern angreifen, optimal auslegbar sind. Somit ist die Gestaltung eines derartigen Systems gewöhnlich ein Kompromiß zwischen diesen beiden Anforderungen. So werden z.B. passive Fahrwerke, die eine gute Niederfrequenzdämpfung liefern, häufig in sportlichen Fahrzeugen eingebaut. Sie bewirken ein "hartes" Fahrverhalten bei guter Kurvengängigkeit, gutem Beschleunigungs- und Bremsvermögen (d.h., guter Bodenhaftung), aber auch starke Erschütterungen bei unebenen Strecken. Ein "weiches" Fahrverhalten findet sich oft bei Luxusfahrzeugen, bei denen der größte Teil der hochfrequenten Schwingungen bedämpft wurde, jedoch werden dann die niederfrequenten Kräfte stärker auf das Chassis übertragen, was ein schlechtes Kurvenverhalten (mit beträchtlichen Karosserieschwankungen) und schlechtere Bodenhaftung, usw., bedingt.
In neuerer Zeit widmet man sich daher vermehrt dem Entwurf eines aktiven Fahrwerks, wobei die Relativbewegungen zwischen Chassis und Rad jeweils nahe am Rad gemessen werden. Zu den Rückstellkräften der Schraubenfedern werden zudem noch Rückstellkräfte erzeugt, die das Chassis in einer im wesentlichen vorgewählten Höhenlage halten. So hat jüngst z.B. ein Kraftfahrzeughersteller ein aktives Fahrwerk entwickelt. Es ist im Road & Track Magazine (Februar 1987, Seiten 60-64) unter dem Titel "Lotus Active Suspension" kurz beschrieben. Das System ist auch im Novemberheft (1987) auf Seite 38 kurz erwähnt. Das im oben erwähnten Artikel beschriebene aktive Fahrwerk, das MARK III genannt wurde, ist dort aber unzureichend offenbart, so daß man seine Wirkungsweise nicht verstehen kann. Das System zeichnet sich jedoch vermutlich durch eine volldigitale Regelelektronik und durch stählerne Rückstellfedern aus. Das Regelgerät wird dazu benutzt, einen kompakten hydraulischen Stempel mit einstellbarem Widerstand anzusteuern, der nahe am jeweiligen Rad zwischen Chassis und Rad angebracht ist. Dies kommt im Endeffekt gleich einer synthetischen Feder, deren Federrate beim Einfedern und Ausfedern dynamisch verstellt werden kann.
Das Hauptproblem des im obigen Artikel beschriebenen Systems besteht darin, daß das System anscheinend mit relativ hohen hydraulischen Drücken, etwa im Bereich von 3000 psi, arbeitet und daher eine Hochdruckhydraulik sowie Hochdruckleitungen zwischen dem zentralen Regel System und den hydraulischen Stempeln benötigt. Die zum wirksamen Betrieb des Systems benötigten Einrichtungen vergrößern das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs erheblich. Weiterhin kann man vermuten, daß der Leistungsbedarffür einen wirkungsvollen Betrieb des Systems, insbesondere der schnellen Hydraulikventile, beträchtlich ist. Das Hochdrucksystem benötigt wirkungsvolle Dichtungen, die dem meist beträchtlichen Druckunterschied zwischen Hydraulikflüssigkeit und Umgebungsluft widerstehen können (besonders dann, wenn als Reaktion auf eine hochfrequente Schwingung Hydraulikflüssigkeit in den Stempel hinein- und aus dem Stempel herausgepumpt werden muß).
Andere aktive Fahrwerke sind in US-A-4,390,187 (Maeda), US-A-4,413,837 (Hayashi), US-A-4,624,476 (Tanaka et al.) und US-A-4,624,478 (Ohtagaki et al.) beschrieben und dargestellt.
Maeda offenbart in Einzelheiten einen Fahrzeughöhensensor, der ein elektromagnetisches Ventil ansteuert. Dieses regelt die Menge an Druckluft, die einer Luftfeder zugeführt wird. Pneumatische Systeme sind wie die oben beschriebenen hydraulischen Systeme ähnlichen Einschränkungen unterworfen.
Hayashi beschreibt einen Detektor, der die Höhenveränderungen an einem Automobil erfaßt. Dadurch kann die Höhe automatisch nachgeführt werden. Das System zur Nachführung der Fahrzeughöhe wird aber nicht in allen Einzelheiten beschrieben.
Tanaka et al. beschreiben eine Neigungsregelungs-Baugruppe, die die Neigung eines Fahrzeugs abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Lenkeinschlag nachregelt. Das Fahrwerk wird an jedem Rad von einem Regler überwacht. Das System regelt elektrisch den Betriebszustand von Magnetventilen, die ihrerseits den Luftdruck in jedem der vier pneumatischen Stoßdämpfer einstellen. Das System arbeitet also pneumatisch und besitzt die Nachteile pneumatischer Systeme. Weiterhin kann das System vermutlich auch nicht hochfrequente Schwingungen befriedigend ausregeln.
Die im Patent von Ohtagaki et al. offengelegte Vorrichtung gleicht der im Patent von Hayashi insoweit, als das Fahrwerkssystem nach Ohtagaki elektrisch angesteuerte Magnetventile enthält, die den Flüssigkeitsdruck (Luftdruck) zur Einstellung der Fahrwerkseigenschaften des Fahrzeugs regeln.
In der Patentliteratur sind auch verschiedene elektromagnetische Stoßdämpfer mit geschlossenen Regelkreisen beschrieben. Siehe beispielsweise US-A-3,006,656 (Schaub), US-A-3,770,290 (Battalico), US-A-3,941,402 (Yankowski et al.) und US-A-4,351,515 (Yoshida).
Schaub beschreibt eine Magnetpulverkupplung, die als Stoßdämpfer betrieben wird, und ein System, das diese Stoß dämpfer zur Stabilisierung eines Autos verwendet. Das System enthält zwei Dämpfer, die an jeweils gegenüberliegenden Rädern angebracht sind (oder auch vier Dämpfer, die jeweils an einem der vier Räder angebracht sind). Jeder Stoßdämpfer enthält drei Erregerspulen. Ein Pendel wird einerseits dazu benützt, die Neigung des Fahrzeugs festzustellen, und andererseits dazu, je einer Spule der beiden Stoßdämpfer ein veränderliches Signal zuzuführen. Das gleiche Signal wird beiden Rädern zugeführt, um so die Dämpfer härter einzustellen, wenn das Fahrzeug eine Drehbewegung ausführt. In ähnlicher Weise wird ein Kraftmesser, der zur Feststellung von Straßenunebenheiten geeignet ist, beschrieben. Er enthält einen Schalter, der von einem beweglichen Gewicht geschlossen wird, so daß in jedem der beiden Dämpfer ein zusätzlicher Gleichstrom durch eine zweite Spule fließen kann. Wieder wird augenscheinlich der gleiche Strom beiden Spulen zugeführt, so daß die Dämpfer härter eingestellt werden, ohne dabei auf die Größe der gemessenen Kraft zu achten, solange diese noch dazu ausreicht, das Gewicht des Kraftmessers zu bewegen und den Schalter zu schließen. Schließlich erzeugt ein mit der Raddrehzahl des Fahrzeugs betriebener Generator einen variablen Strom in der dritten Spule eines jeden Dämpfers. Da sich das Signal des Generators, das der Spule in jedem der beiden Dämpfer zugeführt wird, als Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeugs ändert, ändert sich auch die Härte eines jeden Dämpfers in Übereinstimmung mit der Wagengeschwindigkeitsfunktion.
Es ist daher leicht einzusehen, daß die Stabilisierungswirkung des Systems nicht besonders gut ist. Das Pendelgewicht bewegt sich langsam und kann daher keine hochfrequenten Schwingungen feststellen. Zusätzlich kann das Pendel nur beschleunigende Kräfte in der Ebene der Pendelbewegung feststellen. Alle beschleunigenden und bremsenden Kräfte, die zwischen Rad und Chassis angreifen, z.B. solche Kräfte, die von starken Fahrzeugbeschleunigungen oder verzögerungen herrühren, können nicht festgestellt werden. Der Kraftmesser ist ebenso zur Feststellung hochfrequenter Schwingungen ungeeignet, da sich das Gewicht des Kraftmessers bewegen muß, um einen Kontakt des Schalters zu schließen und damit eine Rückmeldung zu erzeugen. Der infolge des Schließens des Ein-Aus-Schalters fließende Strom erzeugt in jedem Dämpfer eine konstante Rückstellkraft, die unabhängig von der tatsächlich zur Stabilisierung benötigten Rückstellkraft ist. Der eingespeiste Strom ist unabhängig von der Größe der auf das Fahrzeug einwirkenden Kräfte, die das Gewicht des Kraftmessers bewegen, solange diese Kräfte noch groß genug sind- das Gewicht zu bewegen und den Schalter zu schließen. Zu guter Letzt werden dieselben Regelströme mindestens zwei Rädern zugleich zugeführt, so daß die Stempel dieser beiden Räder nicht unabhängig voneinander arbeiten, obwohl die angreifenden Kräfte von Rad zu Rad unterschiedlich sein können.
Battalico beschreibt eine elektromagnetische Fahrwerksbaugruppe, in der die magnetischen Kräfte manuell durch den Bediener verändert werden, indem dieser, um die magnetische Kraft zu verändern, einen herkömmlichen Schiebewiderstand oder einen anderen Spannungsteiler einstellt.
Yankowski beschreibt einen elektromagnetischen Stoß dämpfer. Der Dämpfer enthält zwei Elektromagnete, von denen der erste eine starre Ausrichtung des Felds besitzt, während der zweite ein Feld besitzt, dessen Polarität abhängig von der Richtung des Stoßes, der aufzufangen oder zu dämpfen ist, umgekehrt werden kann. Das beschriebene System ist jedoch nicht dafür geeignet, sowohl niederfrequente als auch hochfrequente Kräfte zu erkennen, die durch Schwingungen und Relativbewegungen zwischen Rad und Chassis erzeugt werden.
Yoshida zeigt ein stoßdämpfendes Fahrwerkssystem mit geschlossenem Regelkreis, das zur Aufhängung einer Maschine gegenüber einem Chassis dient. Das System besteht aus einem Zylinder und einer Kolbenstange, die sich gegen den Zylinder bewegen kann. Die Kolbenstange und der Zylinder sind zwischen Maschine und Chassis so befestigt, daß sich das eine Teil mit der Maschine und das andere Teil mit dem Chassis bewegt. Ein elektromagnetischer Sensor mißt relative Verschiebungen zwischen Kolbenstange und Zylinder und erfaßt damit Relativbewegungen zwischen Maschine und Chassis. Der Sensor erzeugt eine zur Relativgeschwindigkeit von Kolbenstange und Zylinder proportionale Spannung. Diese Spannung erzeugt ein Regelsignal, welches seinerseits einer Erregerspule zugeführt wird. Letztere erzeugt relativ zum Zylinder eine Kraft in der Kolbenstange, die die Relativbewegung kompensieren soll. Obwohl Yoshida in Spalte 4, Zeile 27-33, angibt, daß das Regelsignal sowohl von niederfrequenten Kräften, die zwischen Kolbenstange und Zylinder angreifen, als auch von relativ hochfrequenten, von der Maschine erzeugten Schwingungskräften abgeleitet werden kann, ist das System nicht in der Lage, Beschleunigungskräfte, die zwischen Chassis und Maschine angreifen, ausreichend auszugleichen. Besonders die hochfrequenten Kräfte, die über die Fahrwerksbaugruppen übertragen werden, können nicht ausgeglichen werden, da das Regelsignal eine Funktion der Relativgeschwindigkeit zwischen Zylinder und Kolbenstange darstellt.
Weitere elektrische Stoßdämpfer, bei denen die Härte der Dämpfer durch die Einspeisung von Strom vergrößert oder verringert werden kann, findet man in US-A-1,752,844 (Harrison), US-A-2,667,237 (Rabinow), US-A-2,846,028 (Gunther), US-A-2,973,969 (Thall), US-A-4,432,441 (Kurokawa) und US-A-4,699,348 (Freudenberg).
Ein aktives Aufhängungssystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in DE-A-24 42 118 offenbart. Es verwendet Elektromagnete zum Ausgleich der Beschleunigungskräfte und der Relativbewegungen zwischen dem Fahrzeugchassis und den Rädern. Die Elektromagneten enthalten einen flachen Anker, der zwischen zwei axial ausgerichteten Spulen angeordnet ist. Die Kraft, die der Elektromagnet erzeugt, ist proportional zum Quadrat des in die Spulen eingespeisten Stroms, und die Regelschaltung, die die Spulenströme generiert, enthält eine komplexe Kombination von Multiplizierern, Differenzierern und Schaltungen zum Wurzelziehen, mit denen eine Beschleunigungs- und Relativbewegungsfunktion erzeugt wird.
Ein weiteres, 1965 veröffentlichtes Dokument, FR-A- 1,418,751, behandelt ebenfalls ein aktives Fahrwerk mit Elektromagneten. Der Elektromagnet enthält eine Spule, die koaxial in einem Permanentmagneten angeordnet ist, der ein radiales, magnetisches Feld erzeugt. Das System arbeitet jedoch in Abhängigkeit von den Beschleunigungskräften, die zwischen den Rädern und dem Chassis auftreten, und spricht auf langsame, z.B. durch schnelle Kurvenfahrt verursachte Veränderungen nicht an.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Baugruppe, die in einem aktiven Aushängungssystem einsetzbar ist und ein Rad mit dem Fahrzeugchassis koppeln kann, enthaltend ein erstes Koppelteil, das sich mit dem Glied oder dem Chassis bewegt und ein zweites Koppelteil, das sich mit dem anderen Stück - Glied oder Chassis - bewegt, wobei sich das erste und das zweite Teil entlang einer Achse gegeneinander bewegen können; eine elektromagnetische Einrichtung, umfassend eine Spulenanordnung und einen Magneten, der auf einen Korrekturstrom hin eine Kraft längs der Achse zwischen dem ersten und dem zweiten Teil ausübt, sowie eine Regeleinrichtungen, die den Korrekturstrom als Funktion der Bremsund Beschleunigungskräfte, die entlang der Achse wirken, und als Funktion des Lageverhältnisses des ersten und des zweiten Verbindungsteils erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung und der Magnet koaxial um die Achse angeordnet sind, wobei sich die Spulenanordnung außerhalb des Magneten befindet, so daß die Kraft dem Korrekturstrom direkt proportional ist.
Es ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Ausführungsformen ein verbessertes aktives Fahrwerk bereitstellen, in dem die oben erwähnten Schwierigkeiten des Stands der Technik beseitigt oder wesentlich reduziert werden.
Ausführungsformen der Erfindung betreffen insbesondere ein aktives Fahrwerk, das kein hydraulisches oder pneumatisches Fließmedium zur Erzeugung von Rückstellkräften verwendet.
Weitere Ausführungsformen betreffen verbesserte aktive Fahrwerke, die elektromagnetische Einrichtungen zur Regelung der Lage eines Chassis bezüglich einer vorgewählten Position einsetzen. Andere Ausführungsformen betreffen ein mikroprozessorgesteuertes aktives Fahrwerk, das nahezu vollständige Rückstellkräfte praktisch sofort für alle Arten von äußeren Kräften (auch für Beschleunigungskräfte), die zwischen Rad und Chassis angreifen, bereitstellen kann.
Weitere Ausführungsformen betreffen in Kraftfahrzeugen einsetzbare elektromagnetische aktive Fahrwerke, die einen relativ ruhigen Fahrtablauferzeugen und eine rechnergesteuerte Lageregelung des Chassis bei Fahrzuständen wie Beschleunigung, Verzögerung, starke Bremsung und schnelle Kurvenfahrt gestatten.
Weiterhin betreffen Ausführungsformen ein aktives Fahrwerk, das in der Lage ist, Rückstellkräfte als Antwort auf ein breites Spektrum äußerer Kräfte aufzubauen, die zwischen Rad und Chassis angreifen.
Zur Verdeutlichung der Erfindung und um zu zeigen, wie sie verwirklicht werden kann, wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der spektralen Verteilung der verschiedenen Kräfte, denen ein Fahrzeugchassis ausgesetzt sein kann;
Fig. 2 eine Abbildung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform (die Darstellung ist z. T. in Blockform und z. T. im Querschnitt ausgeführt);
Fig. 3 eine Explosionszeichnung eines hydraulischen Stempels des Systems nach Fig. 2;
Fig. 4 einen Querschnitt durch den zusammengebauten Stempel nach Fig. 3;
Fig. 5 die perspektivische Darstellung eines linearen Differenzübertragers (im weiteren mit LVDT bezeichnet), der in der Stempelbaugruppe nach den Fig. 2 - 4;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des LVDT nach Fig. 5; und
Fig. 7 ein Blockdiagramm des elektrischen Regelsystems für jede Stempelbaugruppe nach Fig. 2 - 4.
Fig. 8 einen Flußplan zur Arbeitsweise des Systems nach Fig. 7.
Siehe Figur 2. Die bevorzugte Ausführungsform des aktiven Fahrwerks enthält eine Stempelbaugruppe 10, die zwischen dem jeweiligen Rad 14 und dem Kraftfahrzeugchassis (d. h. dem Rahmen 12) eingebaut ist, und ein Stempelregelsystem oder einen Prozessor 20 zur Steuerung der Arbeitsweise der zugehörigen Stempelbaugruppe; beide dienen dazu, das Chassis in einer vorgewählten Lage zu halten, bevorzugt in seiner ursprünglichen Lage gegen den Erdboden. Jede Stempelbaugruppe 10 ersetzt einen Stoßdämpfer und die dazugehörige Schraubenfeder der Bauart, wie sie in passiven Fahrwerken vorhanden sind. Man erhält so das gezeigte aktive Fahrwerk mit vier Stempelbaugruppen. Unter normalen Bedingungen soll jede Baugruppe 10 zusammen mit ihrem Prozessor 20 unabhängig von anderen Baugruppen arbeiten können. Unter bestimmten Umständen sollten in die Regelung des Abstandsverhältnisses von dem jeweiligen Rad zum Rahmen jedoch Informationen einbezogen werden, die an einem weiteren Rad oder an mehreren weiteren Rädern gewonnen wurden; hierzu können die Prozessoren 20 in bekannter Weise vernetzt werden.
Wie Fig. 3 und Fig. 4 deutlicher zeigen, legt jede Stempelbaugruppe 10 eine Längsachse 22 der Baugruppe fest und enthält eine erste Meßeinrichtung, vorzugsweise als linearer Differenzübertrager (LVDT) 24 ausgeführt, die den gegenseitigen Abstand des Rads und des Fahrzeugrahmens des Chassis, an dem die Baugruppe befestigt ist, feststellt, sowie eine zweite Meßeinrichtung, vorzugsweise in Form eines Beschleunigungsaufnehmers 26 ausgeführt, die von außen in Richtung der Stempelachse an der Baugruppe angreifende Kräfte mißt. Der Prozessor 20, der zur Regelung der Stempelbaugruppe 10 benutzt wird, ist für die Erzeugung von Rückstellkräften in der entsprechenden Stempelbaugruppe geeignet programmiert (diese Kräfte werden als Reaktion auf Regelsignale der ersten und zweiten Meßeinrichtung hervorgerufen) und wirkt so äußeren Kräften, die in axialer Richtung an der Stempelbaugruppe angreifen, entgegen. Das Chassis wird dadurch in einer im wesentlichen unveränderten Lage gehalten.
Jede Stempelbaugruppe 10 enthält, wie nun genauer erklärt wird, eine Stempelbasisbaugruppe 30, die ihrerseits ein unteres, tassenförmiges Gehäuse 32, eine an der oberen Begrenzung des Gehäuses 32 angebrachte Federaufnahme und einen zylindrischen Flansch 36, durch den die Stempelbaugruppe mit der Gelenk- und Nabeneinheit 38 verbunden ist, enthält. Der Flansch 36 greift vorzugsweise über einen Bolzen 40, der unverrückbar mit der Gelenk- und Nabeneinheit verbunden ist, wobei zwei Schrauben 42 Flansch und Bolzen verbinden.
Die erste Meßeinrichtung zur Messung des gegenseitigen Abstands zwischen der entsprechenden Gelenk- und Nabeneinheit 38 und dem Rahmen 12, vorzugsweise in der Form des LVDT 24 ausgeführt, wird am besten in dem tassenförmigen Gehäuse 32 untergebracht. Der LVDT 24 ist ein dem gegenwärtigen Stand der Technik entsprechendes Gerät und ist im allgemeinen dem beispielsweise in Horowitz, Paul and Hill, Winfield, The Art of Electronis, Cambridge University Press, Cambridge, England, 1980, Seite 602, beschriebenen Typ ähnlich.
Wie Fig. 5 und Fig. 6 zeigen, enthält der LVDT 24 im allgemeinen einen Transformator mit einer symmetrisch um seine zentrale Achse 50 gewickelten Primärwicklung 48 (die Achse 50 ist koaxial mit der Achse 22 der Stempelbaugruppe verbunden). Die Primärwicklung wird vorzugsweise mit einer Mittenanzapfung 52 versehen. Die Sekundärwicklung 54 ist ebenfalls in der Mitte angezapft oder aus zwei einzelnen Wicklungen 54A und 54B aufgebaut, siehe Fig. 5 und Fig. 6.
Die Sekundärwicklungen sind symmetrisch um die zentrale Achse 50 gewickelt und in axialer Richtung in zwei symmetrische Hälften, die sich an gegenüberliegenden Enden der Primärwicklung befinden, geteilt. Ein beweglicher, aus magnetisch leitfähigem Material hergestellter Kernstab 60 kann entlang der zentralen Wicklungsachse 50 verschoben werden. Die Primärwicklung 48 wird bekanntlich mit einem Wechselstromsignal erregt, so daß eine induzierte Spannung in jeder der Sekundärwicklungen gemessen werden kann. Bewegt man den Kernstab 60 in axialer Richtung entlang der Achse 50 durch die Spulen, so ändert sich, gemessen an der Höhe der induzierten Spannung an den Sekundärwicklungen 56A und 56B, die Induktivität des Geräts. Lineare Differenzübertrager können, wie in den oben angegebenen Quellen ausgeführt wird, in bezug auf eine Messung der Verschiebung (des Kerns) extrem genau gebaut werden, wobei erregende Spannungen im Frequenzbereich von 50Hz bis 25kHz möglich sind.
Die Stempelbaugruppe 10 enthält zusätzlich, siehe nochmals Fig. 3 und Fig. 4, einen Stempelschaft 70, der an einem Ende mit dem Kernstab 60 des LVDT 24 gekoppelt ist (dies ist am besten in Fig. 4 zu sehen). Der Stempelschaft 70 ist koaxial zur Achse 22 der Stempelbaugruppe angebracht und wird bevorzugt aus magnetisch leitfähigem Werkstoff hergestellt, da er ein Stück des magnetischen Flußpfads des magnetischen Kreises der Stempelbaugruppe darstellt; dies wird im folgenden noch dargestellt. Um den magnetischen Fluß entlang des magnetischen Pfads so groß als möglich zu machen, wird der Schaft bevorzugt aus magnetisch hochleitfähigem Material wie Weicheisen hergestellt (man erreicht so eine relativ hohe Flußdichte).
Die Baugruppe 10 enthält weiterhin einen zylindrischen Permanentmagneten 80, der als Quelle eines relativ starken Flusses dient. Der Magnet 80 ist so magnetisiert, daß sich Nordpol und Südpol radial gegenüberliegen, d.h. ein Pol befindet sich an der Innenseite des Magnets und der andere Pol an der Außenseite des Magnets. Der Magnet 80 kann beispielsweise aus Neodym-Bor-Eisen oder Samarium-Kobalt bestehen. Abhängig von der Höhe der Rückstellkraft, die die Stempelbaugruppe 10 zur Kompensation der am Stempelschaft angreifenden äußeren Kräfte aufbauen muß, können auch andere Werkstoffe eingesetzt werden.
Zusätzlich enthält die Stempelbaugruppe 10 eine elektromagnetische Spulengruppe 90, die den Magneten 80 umschließt und koaxial zur Achse 22 angeordnet ist, so daß Kräfte in Richtung der Achse 22 ausgeübt werden. Der Strom durch die Spulengruppe und der radial gerichtete Fluß des Magneten bewirken zusammen diese Kräfte; sie sind von beiden Größen Strom und Fluß abhängig. Die Größe der Rückstellkraft, die durch den Stempelprozessor 20 im Stempelschaft erzeugt wird, ist dem Strom durch die Spulengruppe 90 direkt proportional; dies wird später noch klarer werden.
Eine Schaftführungsbaugruppe 100 dient dazu, den Sternpelschaft 70 bezüglich der Achse 22 koaxial zu führen. Die Schaftführungsbaugruppe besteht aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, Fig. 4 zeigt dies detaillierter, und bildet ein Gehäuse für den Permanentmagneten 80 und den Spulensatz 90. Die Schaftführungsbaugruppe 100 enthält abnehmbare Endplatten 104 und ein zylindrisches Gehäuse 102, das koaxial zur Achse 22 der Stempelbaugruppe angebracht ist. Jede Endplatte 104 enthält eine mittige Öffnung 106 und eine Lagerbaugruppe 108, die den Stempelschaft 70 abstützt, so daß dieser in axialer Richtung in der zur Achse 22 koaxialen Öffnung gleiten kann.
Das obere Ende der Stempelbaugruppe 10 ist mit einer Stempelbefestigungsbaugruppe 110 versehen, die das Ende des Stempelschafts 70 mit dem Rahmen 12 verbindet. Die Stempelbefestigungsbaugruppe 110 enthält eine Federaufnahme 112. In letzterer befindet sich eine Öffnung 114, in der der Stempelschaft 70 befestigt ist. Eine Abdeckung 130 ist so ausgebildet, daß sie am Rahmen 12 befestigt werden kann.
Das Ende des Stempelschafts ist auch am Beschleunigungsaufnehmer 26 befestigt, der dazu dient, äußere Kräfte, die in Richtung der Stempelachse 22 angreifen, zu messen.
Als Beschleunigungsaufnehmer wählt man vorzugsweise einen im Handel erhältlichen Typ, z. B. ein piezoelektrisches Festkörpergerät. Der Piezokristallsensor mißt Kräfte, die der Stempelschaft dann in Richtung der Stempelachse 22 ausübt, wenn sich die axialen Kräfte im Stempelschaft ändern. Solche Beschleunigungsaufnehmer können beispielsweise von Endevco aus San Juan Capistrano in Kalifornien bezogen werden. Bekanntlich ändert sich die Ausgangsspannung des piezoelektrischen Sensors dann, wenn sich der Druck verändert, so daß die Spannung ein Maß für die Axialkräfte auf den Stempelschaft darstellt.
Eine zylindrische Druckfeder 140 ist zwischen den Federaufnahmen 112 und 34 eingespannt. Die Feder ist zwischen den Aufnehmern vorgespannt eingebaut und erzeugt so eine vorgewählte Rückstellkraft zwischen dem Rahmen 12 und dem Rad 14, das an der Gelenk- und Nabeneinheit 38 angebracht ist.
Der Stempelregelprozessor 20 wird nun in Fig. 7 näher dargestellt. Die elektrischen Ausgänge des LVDT 24 und des Beschleunigungsaufnehmers 26 sind beide mit dem Eingang eines Multiplexers 150 verbunden. Der LVDT und der Beschleunigungsaufnehmer können beide so ausgelegt werden, daß jedem Ausgangssignal der beiden Geräte ein vorgegebener Referenzpegel REF&sub1; bzw. REF&sub2; überlagert wird, der die neutrale Lage oder Ruhelage des Stempelschafts darstellt, wenn sich das Fahrzeug gegen den Untergrund in Ruhe befindet. So bedeutet ein Ausgangssignal L des LVDT, das unter dem Referenzpegel REF&sub1; liegt, daß der gegenseitige Abstand von Chassisrahmen 12 und Gelenk- und Nabeneinheit 38 kleiner ist als in der Ruhelage, während ein Ausgangssignal L des LVDT, das über dem Referenzpegel liegt, einen größeren gegenseitigen Abstand zwischen dem Rahmen 12 und der Einheit 38 bedeutet.
Der Referenzpegel des Signals wird so vorgegeben, daß er annähernd die gegenseitige Position des Rahmens 12 und der Einheit 38 in der Ruhelage angibt und daß man den vollen Dynamikbereich des Ausgangssignals des LVDT ausnutzen kann. Wenn sich die Ruhelage beispielsweise in der Mitte zwischen der kleinsten und der größten gegenseitigen Auslenkung befindet, dann sollte der Referenzpegel ebenfalls in der Mitte zwischen kleinstmöglichem und dem größtmöglichem Ausgangssignal des LVDT liegen. In gleicher Weise bedeutet ein Ausgangssignal A des Beschleunigungsaufnehmers 26, das unter dem Referenzpegel REFa liegt, Verzögerungskräfte, während ein Ausgangssignal A, das über dem Referenzpegel REFa liegt, Beschleunigungskräfte darstellt, die auf den Beschleunigungsaufnehmer einwirken. REFa wird wieder so vorgegeben, daß das Ausgangssignal des Beschleunigungsaufnehmers gleich REFa ist, wenn keine Kräfte auf den Beschleunigungsaufnehmer einwirken; so wird der volle Dynamikbereich des Ausgangssignals des Geräts ausgenutzt.
Der Multiplexer 150 schaltet bekanntlich abhängig vom Zustand des Adreßsignals, das der Mikroprozessor 158 an seinen Adreßeingang anlegt, nur einen seiner Eingänge zu seinem Ausgang durch, wie im weiteren erläutert wird. Der Ausgang des Multiplexers ist an den Eingang des Differenzverstärkers 154 angeschlossen, dessen Ausgang seinerseits an den Eingang des Analog-Digital-Umsetzers 156 (im weiteren mit ADC bezeichnet) angeschlossen ist. Der Differenzverstärker bewirkt eine Rauschunterdrückung und eine Signalverstärkung, womit der größte und der kleinste Pegel des Signals, das dem ADC zugeführt wird, an den Dynamikbereich des ADC 156 angepaßt wird und der volle Bereich des ADC ausgenutzt wird. Als ADC wählt man bevorzugt einen 12- Bit-Umsetzer; die Bitzahl des Geräts kann sich jedoch abhängig von der gewünschten Auflösung ändern.
Das Ausgangssignal des ADC 156 wird einem System zugeführt, das Information speichern und wieder ausgeben kann, vorzugsweise einem System in Form des gezeigten Mikroprozessors 158. Der bevorzugte Mikroprozessor 158 ist ein 16- Bit-Prozessor, der dazu geeignet ist, so programmiert zu werden, daß er das unten in Fig. 8 beschriebene Programm ausführen kann. Der Mikroprozessor 158 legt ein Adreßsignal an den Multiplexer 150. Der Mikroprozessor 158 berechnet weiterhin ein digitales Korrektursignal (vorzugsweise ein 12-Bit-Signal, das den Korrekturstrom Iout angibt, der der Spule 90 zuzuführen ist, und überträgt dieses Signal an den Digital-Analog-Umsetzer 162 (im weiteren mit DAC bezeichnet), siehe Fig. 8. Der DAC setzt das digitale Signal in ein entsprechendes analoges Signal um; dieses Signal wird anschließend dem Stromverstärker 166 zugeführt. Der Ausgangs strom des DAC fließt in eine bestimmte Richtung, wenn der Stempelschaft so bewegt wird, daß der gegenseitige Abstand des Rahmens 12 zur Gelenk- und Nabeneinheit 38 kleiner ist als der Abstand in der Ruhelage. Der Strom fließt entgegengesetzt zur obigen Richtung, wenn der Stempelschaft so bewegt wird, daß der gegenseitige Abstand des Rahmens 12 zur Gelenk- und Nabeneinheit 38 größer ist als in der Ruhelage.
Die beiden Ausgangsstromrichtungen des DAC 162 sind einfach zu erzielen, wenn der DAC an eine positive und eine negative Versorgungsspannung angeschlossen wird, die man aus einem üblichen Gleichstromwandler erhält. Die Größe des Ausgangsstroms, der dem Stromverstärker zugeführt wird, bestimmt, wie im folgenden näher erklärt wird, die Größe der Kraft, die der Lenz'schen Regel entsprechend am Stempelschaft angreift.
Bei Betrieb werden durch den LVDT 24 eine Verschiebung des Chassisrahmens 12 gegen das Rad 14 festgestellt (dies bedeutet eine Veränderung des gegenseitigen Abstands, weiterhin sei durch den Beschleunigungsaufnehmer eine Druckänderung infolge von beschleunigenden oder verzögernden Kräften entlang der Achse 22 durch die Stempelbaugruppe 10 festgestellt (z. B. eine Schwingung, die vom Rad durch den Stempelschaft 70 übertragen wird). Der Beschleunigungsaufnehmer und der LVDT einer jeden Baugruppe 10 sind elektrisch mit dem zugehörigen Stempelprozessor 20 verbunden, der seinerseits abhängig von den gemessenen Signalen des Beschleunigungsaufnehmers und des LVDT einen Korrekturstrom Iout in die elektromagnetische Spulenbaugruppe 90 einspeist. Bekanntlich erzeugt der Strom, der in der elektromagnetischen Spulenbaugruppe 90 fließt, eine Kraft auf den Stempelschaft, die dem Strom proportional ist. Die Richtung der Kraft hängt davon ab, ob der Strom in positiver oder negativer Richtung eingespeist wird.
Im einzelnen gilt nach der Lenzschen Regel folgender Zusammenhang
(1) F = i(C*N) x B,
wobei: F die Kraft (in Newton) bedeutet, die auf den Stempelstab ausgeübt wird;
i den Wert des Gleichstroms (in Ampere) bedeutet, der durch die Spulenbaugruppe 90 fließt;
C den inneren Umfang (in Metern) der Spule der Baugruppe 90 bedeutet;
N die Windungszahl der Spule der Baugruppe 90 bedeutet;
B den Fluß des magnetischen Felds (in Newton/(Ampere*Meter) oder in Weber/m² bedeutet, den der Permanentmagnet 80 hervorruft;
* das mathematische Symbol für die Multiplikation ist; und
x das mathematische Symbol für das Kreuzprodukt ist.
Die Größe der Kraft, die man benötigt um den Rahmen 12 in seine Ruhelage zu bringen und dort zu halten, hängt von der Masse ab, die bewegt und abgestützt werden muß sowie von der Kraft der Feder 140 und der Größe der Relativbewegung (im weiteren mit Da bezeichnet) zwischen Rahmen 12 und Rad 14, die ausgeführt werden muß, um das Chassis als Reaktion auf Kräfte, die mit dem Beschleunigungsaufnehmer gemessen wurden, in der gewünschten Lage zu halten. Die Größe der auf zubringenden Kraft hängt weiterhin von der Größe der Relativbewegung (im weiteren mit D&sub1; bezeichnet) ab, die ausgeführt werden muß, um das Chassis als Reaktion auf Verschiebungen, die mit dem LVDT 24 gemessen wurden, in die gewünschte Lage zurückzubringen.
Die Richtung, in der die Kraft entlang der Achse 22 am Stempelschaft 70 angreift, hängt sowohl von der Wickelrichtung der Spule der Spulenbaugruppe 90 als auch von der Richtung des Stromflusses durch die Spule und der Orientierung der Pole des Permanentmagneten ab. So gesehen erzeugt die Druckfeder 120 eine Rückstellkraft in der Stempelbaugruppe, die den Chassisrahmen 12, solange kein Strom durch die Spulenbaugruppe fließt und sich das Fahrzeug auf ebenem Untergrund befindet, gegen das Rad 14 in eine vorgewählte Lage bringt. Stellt man mit dem LVDT 24 eine Änderung des gegenseitigen Abstands von Chassisrahmen 12 und Rad 14 fest (z. B. wenn das Fahrzeug eine enge Kurve fährt), so fordert der Prozessor 20 einen Strom an, den der Stromverstärker 168 liefert und in passender Richtung in die Spule einspeist, so daß der Chassisrahmen sich gegen die Einheit 38 bewegt und damit in seiner ebenen Lage bleibt, obwohl der gegenseitige Abstand von Rahmen 12 und Rad 14 nicht mehr mit der ursprünglichen Position in der Ruhelage auf ebenem Untergrund übereinstimmt.
Bewegen sich also Rahmen 12 und Rad 14 aus der vorgewählten ebenen Lage heraus aufeinander zu, so bewegt die durch den Stromfluß in der Spule hervorgerufene Rückstellkraft den Rahmen 12 und das Rad 14 solange auseinander, bis der Rahmen 12 wieder eine in etwa ebene Lage eingenommen hat. Bewegen sich andererseits Rahmen 12 und Rad 14 aus der vorgewählten ebenen Lage heraus voneinander weg, so bewegt die durch den Stromfluß in der Spule hervorgerufene Rückstellkraft den Rahmen 12 und das Rad 14 solange aufeinander zu, bis der Rahmen wieder eine in etwa ebene Lage eingenommen hat.
Stellt der Beschleunigungsaufnehmer 26 eine Kraft fest, z. B. wenn hochfrequente Schwingungen vom Rad 14 durch die Stempelbaugruppe 10 auf den Chassisrahmen 12 übertragen werden, so bewegt die am Stempel angreifende hochfrequente Kraft, die infolge der Schwingung erzeugt wird, das Rad 14 so gegen den Rahmen 12, daß die Schwingung ausgelöscht wird; im Ergebnis verharrt der Chassisrahmen in einer in etwa ebenen Lage. Die Relativbewegung des Chassisrahmens 12 bzw. die Verschiebung, die der LVDT 24 als Reaktion auf Rückstellkräfte mißt, deren Ursache mit dem Beschleunigungsaufnehmer 26 gemessene Veränderungen sind, wird ignoriert (man sollte dies besonders beachten), so daß der Chassisrahmen 12 in seiner ebenen Lage bleibt.
Auf diese Weise erzeugen die Stempelbaugruppe 10 und der Stempelprozessor 20 die benötigte Ausgleichsbewegung, durch die der Rahmen 12, unabhängig vom Abstand jedes einzelnen Rads zum Rahmen, in einer in etwa ebenen Position gehalten wird. Der Mikroprozessor 158 erzeugt, wie das Flußdiagramm nach Fig. 8 zeigt den nötigen Strom Iout in der Spulenbaugruppe 90, so daß die erforderliche relative Verschiebung zwischen Rahmen 12 und Rad 14 als Reaktion auf die Ausgangssignale des Beschleunigungsaufnehmers 26 und des LVDT 24 hergestellt wird.
Dies wird im folgenden genauer erklärt. Werden die Stempelbaugruppe 10 und der Prozessor 20 bei Schritt 170 zum erstenmal aktiviert, so setzt der Mikroprozessor jeden der beiden Werte A-REFa und L-REF&sub1; auf Null und geht dann zum Schritt 172. Die Werte von Da, D&sub1;, Ia und I&sub1; werden ebenfalls auf Null gesetzt, so daß der Stempelschaft durch die Druckfeder 140 in seiner Ruhelage gehalten wird, wobei gilt:
A stellt den vom Mikroprozessor 158 empfangenen Wert des Signals des Beschleunigungsaufnehmers 26 dar;
A-REFa (Bedeutung: A minus REFa) stellt den Wert des Signals A, so wie es der Beschleunigungsaufnehmer ursprünglich abgibt, also ohne den überlagerten Pegel des Referenzsignals REFa, dar;
L stellt das vom Mikroprozessor 158 empfangene Signal dar, das der LVDT 24 abgibt;
L-REF&sub1; stellt den Wert des Signals L, so wie es der LVDT ursprünglich abgibt, also ohne den überlagerten Pegel des Referenzsignals REF&sub1;, dar;
Da stellt die Bewegung des Rahmens 12 relativ zum Rad 14 in Abhängigkeit vom Signal A-REFa dar;
D&sub1; stellt die Bewegung des Rahmens 12 relativ zum Rad 14 in Abhängigkeit vom Signal L-REF&sub1; dar;
Ia stellt den Strom dar, der in der Spulenbaugruppe 90 zur Bewegung des Rahmens 12 gegen das Rad 14 in Abhängigkeit von Da benötigt wird;
I&sub1; stellt den Strom dar, der in der Spulenbaugruppe 90 zur Bewegung des Rahmens 12 gegen das Rad 14 in Abhängigkeit von D&sub1; benötigt wird.
In Schritt 174 wird der Multiplexer 150 adressiert, so daß das Ausgangssignal des Beschleunigungsaufnehmers 26 zum Differenzverstärker 154 gelangt, der seinerseits dem ADC 156 sein durch das Signal A hervorgerufenes Ausgangssignal zuführt. Der ADC 156 setzt das analoge Ausgangssignal des Verstärkers 154 in ein digitales Signal um, das zum Mikroprozessor 158 gelangt.
Der Mikroprozessor 158 bestimmt dann den Wert des Signals A-REFa, indem er den Referenzpegel REFa vom Signal A subtrahiert (siehe Schritt 176). Die mit Da bezeichnete Größe der Relativbewegung zwischen Rahmen 12 und Einheit 38 (und der mit Ia bezeichnete, zugehörige Strom, der zur Erzielung der Bewegung benötigt wird) kann nun leicht aus dem Wert von A-REFa gewonnen werden. Die Kraft, die benötigt wird, um den Schaft um die geforderte Strecke Da zu bewegen, kann in einfacher Weise für alle möglichen Werte von A-REFa vorab bestimmt werden, da diese Werte nur von vorher festgelegten Konstanten abhängen. Da die Kräfte einfach vorab bestimmt werden können, ist es danach ebenfalls einfach, die Größe und die Richtung des Stroms mit Hilfe der Lenzschen Regel (wie oben beschrieben) zu ermitteln. Alle möglichen Werte von Da und Ia können entweder in einer Tabelle im Speicher des Mikroprozessors abgelegt werden oder bei jeder Messung des Signals A-REFa berechnet werden. Im letzteren Fall können die zur Berechnung nötigen Konstanten vor der Installation des Prozessors 20 im Rechner gespeichert werden.
Wurden die Werte von Da und Ia in Schritt 178 bestimmt, so fährt der Mikroprozessor mit Schritt 180 fort und speichert diese Werte, wobei die alten Werte von Da und Ia überschrieben werden. In Schritt 182 wird der neue Wert von Ia algebraisch zu Ia (Ia hat ursprünglich den Wert Null und wird in Schritt 194) bestimmt, siehe unten) addiert (wobei das Vorzeichen eines jeden Signals beachtet wird) und so der Wert von Iout bestimmt. Der Strom Iout wird nun, wie oben erwähnt, dem DAC 162 zugeführt (Schritt 184), wobei sein Wertebereich symmetrisch zum Wert Null gelegt wurde, so daß die Einspeiserichtung des Stroms in die Spulenbaugruppe 90 richtig erkannt werden kann. Danach wird der Strom dem Stromverstärker 166 zugeführt, bevor er in die Spulenbaugruppe eingespeist wird.
Im Schritt 186 wird der Multiplexer 150 vom Mikroprozessor 158 adressiert, so daß er das Ausgangssignal L des LVDT 24 an den Eingang des Differenzverstärkers 154 legt. Der Verstärker legt sein als Reaktion auf L entstandenes Ausgangssignal an den ADC 156 an. Der ADC 156 setzt das analoge Ausgangssignal des Verstärkers 154 in ein digita1es Signal um, das dem Mikroprozessor 158 zugeführt wird.
Der Mikroprozessor 158 bestimmt dann den Wert des um den Referenzpegel REF&sub1; verminderten Signals L, indem er REF&sub1; von L subtrahiert und so L-REF&sub1; bestimmt (siehe Schritt 188). Die mit D&sub1; bezeichnete Größe der relativen Verschiebung zwischen dem Rahmen 12 und der Einheit 38 kann nun leicht aus dem L-REF&sub1;-Wert bestimmt werden; man verfährt entsprechend zur Bestimmung von Da aus dem Wert von A-REFa Bevor der neue Korrekturstrom Iout bestimmt werden kann, muß jedoch jede Relativbewegung zwischen dem Rahmen 12 und der Einheit 38 abgezogen werden, die mit dem LVDT 24 gemessen wurde, da eine Korrektur dieses Anteils die benötigte Ausregelung der mit dem Beschleunigungsaufnehmer 26 gemessenen Beschleunigung und Verzögerung verhindern würde. Entsprechend wird der letzte Wert von Da, der in Schritt 178 bestimmt und in Schritt 180 im Mikroprozessor gespeichert wurde, nun vom neuen D&sub1;-Wert subtrahiert, wie in Schritt 192 angezeigt.
Der zur Bewegung des Rahmens gegen die Einheit 38 nötige Strom I&sub1;, der die mit dem LVDT 24 gemessene Relativbewegung korrigiert (alle Relativbewegungen, außer denen, die mit dem Beschleunigungsaufnehmer 26 gemessen wurden), kann nun einfach im Schritt 194, ausgehend vom Da-D&sub1;-Wert, bestimmt werden; man verfährt ähnlich, wie dies bei der Bestimmung des Stromwerts I&sub1; aus Da beschrieben wurde. Die neuen Werte von I&sub1; und D&sub1;-Da ersetzen nun die bisherigen Werte im Speicher (siehe Schritt 196). Alle möglichen D&sub1;-Da und I&sub1;-Werte können nun, wie oben, in einer Tabelle im Speicher des Mikroprozessors abgelegt oder bei jeder Messung des Signals L-REF&sub1; berechnet werden. Im zweiten Fall können die Konstanten, die zur Berechnung der D&sub1;-Da- und I&sub1;- Werte benötigt werden, vor der Installation des Stempelprozessors 20 im Rechner gespeichert werden.
Nach der Berechnung und Speicherung des Werts von I&sub1; fährt der Mikroprozessor mit Schritt 198 fort und addiert den neuen Wert von I&sub1; zum letzten Wert von Ia, womit der Wert von Iout bekannt ist. Iout wird nun, wie bereits erwähnt, in Schritt 200 dem DAC 162 zugeführt, wobei sein Wertebereich symmetrisch zu Null gelegt wird, so daß die Richtung festgelegt ist, in der der Strom in die Spulenbaugruppe 90 eingespeist wird. Bevor der Strom in die Spulenbaugruppe eingespeist wird, wird er noch dem Stromverstärker 166 zugeführt.
Das somit vollständig beschriebene System verwirklicht ein aktives Fahrwerk, das zur Erzeugung von Rückstellkräften kein hydraulisches oder pneumatisches Fließmittel verwendet. Statt dessen werden elektromechanische Einrichtungen zur Regelung der Aufhängung eines Chassis verwendet.
Man vermeidet so Hochdruckleitungen und die hydraulischen Systemen innewohnenden Probleme. Durch den Einsatz des LVDT 24 und des Beschleunigungsaufnehmers 26 erhält man ein bezüglich hochfrequenter Schwingungen wesentlich empfindlicher reagierendes System als beispielsweise das in US-A- 4,351,515 (Yoshida) beschriebene System. Das mikroprozessorgesteuerte aktive Fahrwerk ist in der Lage, allen Arten externer Kräfte zwischen den Rädern und dem Chassis eines Fahrzeugs nahezu vollständige und sofort wirkende Rückstellkräfte entgegenzusetzen. Das aktive elektromagnetische Fahrwerk gestattet so einen relativ ruhigen Fahrtablauf und eine rechnergesteuerte Lageregelung des Chassis bei Fahrzuständen wie Beschleunigung, Verzögerung, starker Bremsung und schneller Kurvenfahrt.

Claims

1. Baugruppe, die in einem aktiven Aufhängungssystem einsetzbar ist und ein Rad (14) an ein Fahrzeugchassis (12) koppeln kann, enthaltend

ein erstes Kopplungsteil (30), das sich mit dem Rad (14) oder dem Chassis (12) bewegt, und ein zweites Kopplungsteil (130), das sich mit dem anderen Stück - Rad oder Chassis - bewegt, wobei das erste und das zweite Teil längs einer Achse (22) gegeneinander bewegbar sind;

eine elektromagnetische Einrichtung (70, 80, 90), umfassend eine Spulenanordnung (90) und einen Magneten (80), der auf einen Korrekturstrom eine Kraft längs der Achse zwischen dem ersten und dem zweiten Teil entwickeln kann, sowie

eine Regeleinrichtung (20), die den Korrekturstrom, abhängig von den Brems- und Beschleunigungskräften, die längs der Achse wirken, und dem Lageverhältnis des ersten und des zweiten Teils, erzeugen kann,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (90) und der Magnet (80) koaxial um die Achse angeordnet sind, wobei sich die Spulenanordnung (90) außerhalb des Magneten (80) befindet, so daß die Kraft dem Korrekturstrom direkt proportional ist.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Lageverhältnis- Funktion eine Funktion ist, die den Unterschied zwischen dem Lageverhältnis und einem vorgewählten Lageverhältnis des ersten und des zweiten Teiles beschreibt.

3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnet (80) radial magnetisiert ist.

4. Baugruppe nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Spule (90) so angebracht ist, daß sie sich mit dem ersten Teil bewegt;

die elektromagnetische Einrichtung ein magnetisch leitfähiges Glied (70) enthält, das sich mit dem zweiten Teil in der Spule bewegen kann und mit dem Magneten (80) gekoppelt ist; und

die Spule (90) so ausgelegt ist, daß auf einen in der Spule fließenden Korrekturstrom hin eine Kraft auf das magnetisch leitfähige Glied ausübt.

5. Baugruppe nach Anspruch 4, wobei das magnetisch leitfähige Glied ein Stempel (70) ist, dessen Längsachse zur Achse (22) der Relativbewegung kolinear ist.

6. Baugruppe nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Schraubenfeder (140) zwischen dem ersten und dem zweiten Teil eingebaut ist, so daß sie, wenn das Korrektursignal Null ist und das Fahrzeug steht, eine vorgewählte Kraft längs der Achse der Relativbewegung erzeugt und damit auf der Achse ein vorgewählte Lageverhältnis zwischen dem Glied (14) und dem Chassis (12) einstellt.

7. Baugruppe nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die eine Einrichtung (26) enthält zum Erfassen von Beschleunigungs- und Bremskräften und zur Erzeugung eines ersten Signals als Funktion dieser Kräfte.

8. Baugruppe nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung zur Kraftmessung einen Beschleunigungsaufnehmer (26) enthält.

9. Baugruppe nach Anspruch 8, wobei der Beschleunigungsaufnehmer an dem ersten oder dem zweiten Teil (110) befestigt ist und Beschleunigungs- und Bremskräfte erfaßt, die längs der Achse (22) der Relativbewegung angreifen.

10. Baugruppe nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei das erste Signal von der Größe der Beschleunigung oder Verzögerung und von einem Vorspannungs-Referenzsignal abhängt so daß das erste Signal stets das gleiche Vorzeichen hat und zwar unabhängig davon, ob beschleunigt oder gebremst wird.

11. Baugruppe nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die eine zweite Einrichtung (24) enthält, die das Lageverhältnis des ersten und des zweiten Teils erfassen und ein zweites Signal als Funktion des Lageverhältnisses erzeugen kann.

12. Baugruppe nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung zum Erfassen des Lageverhältnisses einen linearen Spannungsdifferenzübertrager enthält.

13. Baugruppe nach Anspruch 12, wobei der Übertrager eine Primärspule und eine Sekundärspule (48, 54) enthält, die so am ersten oder am zweiten Teil befestigt sind, daß eine mit der Achse (22) der Relativbewegung koaxial liegende Spulenachse bestimmt wird und der Übertrager ein Kernteil (60) hat, das am jeweils anderen Teil befestigt ist und längs der Achse der Relativbewegung verschiebbar ist.

14. Baugruppe nach Anspruch 11, 12 oder 13, wenn abhängig von Anspruch 2, wobei das zweite Signal von dem Unterschied zwischen dem Lageverhältnis und dem vorgewählten Lageverhältnis abhängig ist.

15. Baugruppe nach Anspruch 14, wobei das zweite Signal so gestaltet ist, daß es auch von einem Vorspannungs-Referenzsignal abhängt, so daß das zweite Signal stets das gleiche Vorzeichen hat und zwar unabhängig davon, ob das erfaßte Lageverhältnis der Teile größer oder kleiner ist als das vorgewählte.

16. Aktives Aufhängungssystem für ein Fahrzeug mit mindestens vier getrennten Rädern, wobei das System vier Baugruppen nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche enthält.

17. Kraftfahrzeug mit einem aktiven Aufhängungssystem nach Anspruch 16.

18. Kraftfahrzeug nach Anspruch 17, wobei die Regeleinrichtung so arbeiten kann, daß es versucht, das Chassis in einer im wesentlichen konstanten Höhe zu halten und den Unterschied zwischen der Ist-Chassisposition und der Position, die das vörgewählte Lageverhältnis bestimmt, zu beseitigen.