DE68921534T2

DE68921534T2 - Elektrisch angetriebene aktive Fahrzeugaufhängung.

Info

Publication number: DE68921534T2
Application number: DE1989621534
Authority: DE
Inventors: Roy I Davis; Prabhakar B Patil
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1989-10-03
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2009-10-04
Also published as: JPH02120113A; CA1336616C; EP0363158A3; EP0363158B1; DE68921534D1; EP0363158A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine aktive Federung für ein Kraftfahrzeug, in welchem die einzelnen Feder-/Dämpfereinheiten ein den Bedingungen angepaßtes Verhaltnis zwischen Rad und Karrosserie des Kraftfahrzeugs aufrechterhalten, und zwar durch den Einsatz von durch Elektromotoren erzeugten Kraften, wobei sich je einer dieser Notoren innerhalb jeder Feder-/Dampfereinheit befindet. In dieser Schrift bezeichnet der Ausdruck Karosserie bzw. Fahrwerk entweder eine herkömmliche selbsttragende Karosserie oder ein - herkömmliches Rahmen/Karosserie-Kraftfahrzeug oder eine Kombination davon.
Seit Jahren werden Fahrzeugfederungen im allgemeinen und Kraftfahrzeugfederungen im besonderen durch den Einsatz von Federelementen und Dämpferelementen gekennzeichnet, die die Bewegung der Kraftfahrzeugkarosserie bezogen auf die Räder regeln sollen. Die Inflexibilität der Systeme mit festen Dämpfer- und Federraten jedoch veranlaßte die Konstrukteure, eine Anzahl weiterer, anpassungsfähiger Regelsysteme zu schaffen, bei welchen Federraten, Bodenfreiheit und/oder Dämpferraten aufgrund solcher Kriterien wie Daten bezüglich Fahrbahnbeschaffenheit, Kraftfahrzeug-Wendemanövern, Fahrzeugzuladung und anderer Variablen verändert werden können.
Die Schrift DE-U-8.222.808 offenbart ein induktives Feder- und Stoßdämpfersystem für ein Kraftfahrzeug in Form eines linearen Elektromotors, in dem die relativbeweglichen Elemente, von denen eines Dauermagneten und das andere eine Reihe elektromagnetischer Spulen mit unterschiedlichen Windungen tragen, zwischen Fahrwerk und Rädereinheit angeordnet sind. Eine Relativbewegung zwischen diesen Elementen induziert in die Windungen einen elektrischen Strom, der - gleichzeitig mit den Dämpfungseigenschaften des Systems - durch Anderung der Last im Stromkreis, bewirkt durch eine elektronische Regeleinrichtung, geregelt werden kann. Die Federkraft kann ebenfalls durch Änderung eines an die Windungen angelegten Gleichstroms verändert werden. Auf diese Weise reagiert das System auf eine Relativbewegung zwischen Radeinheit und Fahrwerk passiv. Zur Regelung der Höhe der Feder-/Dämpfereinheit kann durch Anlegen eines Gleichstroms an die Windungen eine positive Kraft erzeugt werden, so daß auf diesem Weg das System in der Lage ist, eine aktive Federkraft zwischen Radeinheit und Fahrwerk zu schaffen.
Patentschrift GB-A-1.096.497 offenbart eine Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug, in welchem die Höhe bzw. die Neigung des Kraftfahrzeugs der Last angepaßt wird und zwar durch eine Wagenwinde, die Teil der Aufhängungseinheit ist und von einem Elektromotor angetrieben wird.
U.S. Patentschriften 4.333.668, 4.506.909, 4.564.215, 4.635.959 und 4.673.194 offenbaren alle nicht-angetriebene bzw. schwachmotorige Systeme zur Änderung der Dämpferrate aufgrund erfaßter Kraftfahrzeug-Betriebszustände. Ähnlich offenbaren U.S. Patentschriften 4.185.845, 4.466.625, 4.568.096 und 4.630.840 alle Systeme zur Einstellung bzw. Beibehaltung der Bodenfreiheit aufgrund langsamer Änderungen der Kraftfahrzeuglast.
Obwohl anpassungsfähige Dämpfer und Federungen die Fahrkontrolle durch die Möglichkeit der Änderung der Feder- und Dämpferraten der Aufhangung verbessern, sind solche nicht-angetriebenen Systeme im wesentlichen nicht in der Lage, auf Krafte zu reagieren, die aus unkontrollierten Vibrationen von Rad-/Reifeneinheit durch Straßenunebenheiten, Abbiege-, Brems- oder Beschleunigungsmanöver resultieren. Deshalb versuchten Konstrukteure, sogenannte aktive Federungen zu schaffen, die in der Lage sind, auf solche Krafte in Echtzeit zu reagieren, wobei der Leistungseingang zur Regelung der Karosseriebewegung ausreichende Parameterunempfindlichkeit aufweist. In dieser Schrift bezeichnet der Ausdruck "aktive Federung" eine Federung und Dämpfung, deren Frequenz- und Leistungsausgangkennlinien ausreichen, in Echt zeit anzusprechen, um auf das Fahrwerk des Kraftfahrzeugs wirkende Kräfte zu regeln, die aus solchen Quellen wie Straßenunebenheiten, Seitenwind und Abbiegemanövern des Kraftfahrzeugs entstehen.
U.S. Patentschriften 4.625.993 und 4.639.013 zeigen zwei Beispiele aktiver Federungen. Die Patentschrift 4.625.993 offenbart ein System, in welchem die Feder- /Dämpfereinheit einen doppeltwirkenden hydraulischen Stellantrieb zur Beibehaltung der Position Räder-/Reifeneinheit bezogen auf das Fahrwerk des Kraftfahrzeugs aufweist. Die Patentschrift 4.639.013 offenbart eine Feder-/Dämpfereinheit mit einer variablen, versetzten Gasdruckfeder und einem doppeltwirkenden hydraulischen Stellantrieb, die parallel zueinander eingesetzt werden. Beide Systeme weisen die bekannten Unzulänglichkeiten auf, insofern als diese hydraulisch angetriebenen Systeme komplexe Leitungs- und Ventilbaugruppen erfordern. Außerdem muß, damit zu jedem gewünschten Zeitpunkt hydraulischer Druck in ausreichendem Maße zur Verfügung steht, ständig eine vom Motor getriebene Pumpe in Betrieb sein, die, selbst wenn die Pumpleistung nicht gebraucht wird, auf diese Weise dem Motor des Kraftfahrzeugs Energie entzieht, die anderweitig zum Betrieb des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden könnte. Darüber hinaus treten bei diesen Systemen störende, laute Nebengeräusche auf.
Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte, elektrisch gespeiste aktive Federung für ein Kraftfahrzeug, in welchem eine von einem Elektromotor angetriebene Baueinheit einen Teil der Kraft oder all die Kraft zur Verfügung stellt, die zur Positionierung eines Reifens bezogen auf das Fahrwerk des Kraftfahrzeugs erforderlich ist. Dieses Ziel wird durch in Anspruch 1 beschriebene Merkmale erreicht.
In einer erfindungsgemäßen Konstruktionsform ist der Elektromotor ein elektrischer Umlaufmotor mit einem Drehanker, der ein Sammelgetriebe antreibt, so daß eine Rotationsbewegung des genannten Ankers in eine vertikale Bewegung der genannten Rad-/Reifeneinheit bezogen auf genanntes Fahrwerk umgewandelt wird.
Der Elektromotor kann ein Dauermagnet-Motor sein, ein variabler Reluktanzmotor, ein Induktionsmotor, ein Synchronmotor oder eine andere, Fachleuten bekannte oder in dieser Schrift vorgeschlagene Motorart.
In einer alternativen erfindungsgemäßen Konstruktionsform ist der Elektromotor ein linearer Elektromotor, dessen Tauchanker und Stator zwischen genanntem Fahrwerk und genannter Rad-/Reifeneinheit positioniert sind, so daß eine Gleitbewegung des genannten Tauchankers bezogen auf genannten Stator von einer vertikalen Bewegung der genannten Einheit bezogen auf genanntes Fahrwerk begleitet wird.
Die Feder-/Dämpfereinheit kann erste und zweite lasttragende Vorrichtung beinhalten, die zwischen genannter Rad-/Reifeneinheit und dem Fahrwerk des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, wobei erste Vorrichtung genannten Elektromotor und genannte zweite lasttragende Vorrichtung eine Feder beinhaltet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen weiter beschrieben, wobei:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrisch gespeisten aktiven Federung ist; die Figur zeigt nur einen Teil des Systems, aber einschließlich der vier Aufhängungseinheiten;
Figur 2 ein teilweise schematisches Schaubild einer Feder-/Dämpfereinheit zeigt, das beide lasttragende Vorrichtungen darstellt, nämlich die elektrisch/rotationsgespeiste und die hydraulische;
Figur 3 ein teilweise schematisches Schaubild eines McPherson-Federbeins mit der elektrisch gespeisten lasttragenden Vorrichtung und der lasttragenden Schraubenfeder-Vorrichtung zeigt;
Figur 4 ein teilweise schematisches Schaubild einer Feder-/Dämpfereinheit mit einer linear elektrisch gespeisten lasttragenden Vorrichtung und einer hydraulisch gespeisten lasttragenden Vorrichtung zeigt;
Figur 5 ein Blockdiagramm des gesamten Systems einer elektrisch gespeisten aktiven Federung zeigt;
Figuren 6 und 6A eine schematische Darstellung der in diesem System vorhandenen Leistungs- und Regelelektronik zeigt; und
Figur 7 eine graphische Darstellung ist, die den Betrieb des Systems im kraftabsorbierenden und im rückführenden Modus zeigt.
Figur 1 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrisch gespeisten aktiven Federung, die im allgemeinen mit mehreren Rad-/Reifeneinheiten, 10, ausgestattet ist, die von Dämpfer-/Federeinheiten 12 geregelt werden. Weiter ist in Figur 1 zu sehen, daß jede Vorderradaufhängung zwischen Fahrwerk 18 und unterem Regelarm 24 federnd befestigt ist. Rad-/Reifeneinheit 10 läuft auf Welle 20, die an den Außenenden von Regelarmen 20 und 24 beweglich befestigt ist. Die nach innen weisenden Enden der Regelarme sind an Fahrwerk 18 beweglich befestigt. Figur 1 zeigt des weiteren die Anordnung der vier LVDT-Einheiten 14 in unmittelbarer Nähe des jeweiligen Rads 10. Die LVDT- Einheiten beinhalten eine Höhenmeßvorrichtung, die zwischen Fahrwerk 18 und Rad-/Reifeneinheit 10 angeordnet ist, so daß eine vertikale Bewegung des Reifens bezogen auf Fahrwerk 18 von einer Bewegung der gleitenden Sensorbauteile gegeneinander begleitet wird. Auf diese Weise können Sensoren 14 zur Verfolgung der vertikalen Position von Rad-/Reifeneinheiten bezogen auf das Fahrwerk des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Andere Sensorarten zur Erfassung der vertikalen Position der Räder wie z.B. ein umlaufendes Hall-Element oder weitere Arten linearer oder umlaufender Resolver können ebenfalls für ein erfindungsgemäßes System verwendet werden. Das erfindungsgemäße System kann nicht nur mit dem Parallelarm, dem McPherson- Federbein und Starrachsenkombinationen - wie hier illustriert - eingesetzt werden, sondern auch mit anderen Feder-/Dämpfereinheiten.
Figur 2 zeigt die in Figur 1 abgebildete, elektrisch gespeiste Aufhängungseinheit im Detail. Unteres Gehäuse 28 von Feder-/Dämpfereinheit 12 weist Befestigungsauge 30 zur Befestigung der Feder-/Dämpfereinheit an unteren Regelarm 24 auf, wie in Figur 1 dargestellt. Unteres Gehäuse 28 weist Bohrung 32 auf, die longitudinal verlaufender Kugelumlaufspindel 26 Platz bietet. Kugelumlaufspindel 26 und Kugelmutter 34 wirken wechselseitig, wobei Kugelmutter 34 zwei in ihr befindliche Kugelkanäle aufweist. Mehrere Kugeln 36 kreisen sowohl durch Kanäle 38 als auch durch Rückführkanal 40. Details eines Kugelmutter-Spindel-Stellantriebs mit Mehrfach-Führung für den erfindungsgemaßen Einsatz sind in U.S. Patentschrift 4.211.125 zu finden, welche hiermit durch Bezugnahme in diese Spezifikation aufgenommen wird. Fachleute wissen, daß Kugelmutter und Kugelumlaufspindel, die wechselseitig wirken, einen Kanal bilden, der dem von Innen- und Außenlaufring gebildeten Kanal eines Lagers angeglichen werden kann, wobei die Kugeln Rollkontakt zwischen Kugelumlaufspindel und Kugelmutter herstellen. Folglich nimmt bei Drehung der Kugelmutter die Lange zwischen dem oberen und dem unteren Teil von Feder- /Dämpfereinheit 12 zu bzw. ab. Es sei hier angemerkt, daß auch andere Zahntriebarten bzw. Verstellspindeln für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
Die in Figur 2 gezeigte Kugelumlaufspindel der Feder-/Dämpfereinheit ist mit Anker 42 von Elektromotor 52 starrverbunden, so daß eine Drehung des Motors eine Drehung der Kugelumlaufspindel nach sich zieht und damit eine Verlängerung bzw. Verkürzung von Feder- /Dämpfereinheit 12. Anker 42 dreht in oberem Lager 48 und unterem Lager 50, die hier als Winkel-Kontaktlager abgebildet sind, die aber auch anderen, Fachleuten bekannten bzw. in dieser Offenbarung vorgeschlagenen Konstruktionsformen entsprechend ausgelegt werden können. Stator 44 des Elektromotors umgibt einen Teil von Anker 42 und ist mit elektronischem Energiemodul 84 (Figur 5) verbunden. Der in Figur 2 gezeigte Elektromotor ist bürstenlos mit elektronischer Stromwendung. Folglich wird optisches Kodiergerät 46 zur Meldung der präzisen Drehposition von Anker 42 an Leistungselektronik 84 eingesetzt. Fachleute kennen weitere Kodierer oder Positionsmelder, die die für die elektronische Stromwendung notwendigen Positionsangaben liefern können. Ein Beispiel ist der magnetische Positionskodierer von Elektro-Kineses Inc. (ein Unternehmen der Superior Electric Company) Modell EK5OO.
Für die vorliegende Erfindung ist der Einsatz eines Dauermagnetmotors von General Electric ECM mit sechs Polflächen und MQ-3 Nd-B-Fe Magneten sinnvoll. Wie bereits erwähnt, kann die vorliegende Erfindung mit Dauermagnet-, Induktions-, variablem Reluktanz- oder Synchronmotoren bzw. auch weiteren, in dieser Offenbarung vorgeschlagenen Motorarten realisiert werden. Diese Motoren können ganz unterschiedlich ausgelegt sein. Obwohl z.B. der Synchronmotor und eine Induktionsmotorart einen bewickelten Stator und einen bewikkelten Schleifringläufer sowohl für die rotierende als auch für die lineare Konstruktionsform verwenden, kann jedes Bauteil des Dauermagnetmotors bewickelt werden, wie auch jedes Bauteil des variablen Reluktanzmotors. Bei dem variablen Reluktanzmotor steht der Wicklung ein Schlitz-/Zahnelement gegenüber, das den Läufer bzw. den Stator beinhaltet. Bei dem Induktionsmotor muß es sich nicht um den vollständig bewickelten Typ handeln, es kann auch ein Motor sein, bei dem der Stator bewickelt ist und der Läufer bzw. Tauchkern ein herkömmliches Käfigelement aufweist.
Die von Elektromotor 52 über Kugelmutter und Umlauf spindel erzeugte lastaufnehmende Kraft wird von Motorlastzelle 54 erfaßt, die zwischen dem Endgehäuse des Elektromotors und dem oberen Bereich von Feder- /Dämpfereinheit 12 angebracht ist. Lastzelle 54 stützt Isolator 55, der zwischen Fahrwerk 18 und Motorlastzelle 54 angeordnet ist.
Die Feder-/Dämpfereinheit in Figur 2 hat nicht nur eine elektrisch gespeiste lasttragende Vorrichtung, sondern auch eine hydraulisch gespeiste lasttragende Vorrichtung, welche eine Fluidfeder beinhaltet, die um den Elektromotor und das Sammelgetriebe angebracht ist. Die Fluidfeder beinhaltet Rollbalgfeder 58, die gemeinsam mit Kolben 60 wirkt, welcher wiederum am unteren Ende von unterem Gehäuse 28 befestigt ist. Der obere Teil von Rollbalgfeder 58 ist an oberes Gehäuse 562 befestigt. Die von Luftfederbalg 58 erzeugten lastaufnehmenden Kräfte werden auf diese Weise an unteres Gehäuse 28 und oberes Gehäuse 62 weitergeleitet. Die Stärke solcher Kraft wird mit pneumatischer Federlastzelle 66 erfaßt, die sich zwischen oberem Gehäuse 62 und Fahrwerk 18 befindet. Auf diese Weise ermöglichen die beiden Lastzellen 54 und 66, die mit Systemregelung 80 (Figur 5) verbunden sind, der Systemregelung die Bestimmung der von pneumatischen und elektrischen Vorrichtungen erzeugten lastaufnehmenden Kräfte, so daß ein Teil der Gesamtlast, der von jeder lasttragenden Vorrichtung aufgenommen wird, geregelt werden kann. Alternativ kann eine Vorrichtung zur Überwachung der dem Elektromotor zugeführten Regelströme kombiniert mit einer Vorrichtung zur Wandlung solcher Strönie in ein Signal geschaffen werden, dessen Wert proportional zur von genanntem Elektromotor ausgeübten Kraft ist.
Die von Luftfeder 58 ausgeübte lastaufnehmende Kraft ist proportional zum Luftdruck in der Luftfeder. Der Luftfeder wird über Ventil 64 Luft zugeführt, welches wiederum mit Luftkompressor 90 (Figur 5) verbunden ist.
Figur 3 zeigt eine alternative Konstruktionsform für den Bereich des Federbeines eines erfindungsgemäßen Feder-/Dämpfersystems. Figur 3 zeigt das herkömniliche McPherson System, bei welchem das untere Ende von Feder-/Dämpfereinheit 12 mit Spindel 20 starrverbunden ist, auf welcher Rad-/Reifeneinheit 10 drehen. Regelarm 24 ist zwischen Feder-/Dämpfereinheit 12 und Fahrwerk 18 beweglich befestigt. Die in Figur 3 gezeigte Feder-/Dämpfereinheit weist Schraubenfeder 16 auf, die oberhalb des elektrisch gespeisten Bereichs des Federbeins angebracht ist, welches, wie bereits beschrieben, entweder einen rotierenden oder einen linearen Elektromotor beinhalten kann. Es ist möglich, die Last zwischen Schraubenfeder und der motorgetriebenen Einheit durch Veränderung der Fahrhöhe des Kraftfahrzeugs aufzuteilen.
Figur 4 zeigt einen in eine Feder-/Dämpfereinheit eingebauten linearen Elektroinotor entsprechend vorliegender Erfindung. Gleiche Zahlen in Figur 4 und Figur 2 beziehen sich auf gleiche Teile. Der abgebildete Elektromotor ist ein Induktionsmotor, in welchem nur Kolben 68 bewickelt ist und Hohlstator 70 eine leitfähige Metallstruktur beinhaltet, die die induzierten Ströme aufnimmt. Bei einem Induktionsmotor wird Kraft durch das Zusammenwirken von einem angelegten Magnetfeld in einem Element (in diesem Fall dem Kolben) und von den induzierten Strömen im Leiter eines zweiten Elements auf der anderen Seite eines trennenden Luftzwischenraums erzeugt. Kolben 68 ist mit seinem oberen Ende an Fahrwerk 18 befestigt und beinhaltet Schichtpakete, Stahlfedern, Magnetdrahtspulen, Abschlußkappen und eine Welle. Der Kolben ist gleitfähig in Stator 70 befestigt, welcher an Befestigungsauge 30 montiert ist und ein bimetallisches Rohr mit einer Innenfläche aus Aluminium und einer Außenfläche aus Stahl beinhaltet. Die beiden Hülsen werden zusammenniontiert, anschließend wird die Innenbohrung auf Geradheit gehont. Die Federungseinheit in Figur 4 weist darüber hinaus Resolver 74 auf, der zu Kommutationszwecken die Position des Motors verfolgt. Wie in der in Figur 2 gezeigten Einheit findet auch hier Luftfeder 58 Verwendung, und folglich auch Ventil 64 für die Zuführung von Druckluft zur Luftfeder.
Die in Figur 4 gezeigte Feder-/Dämpfereinheit kann durch Austausch der in Figur 4 gezeigten linearen Vorrichtung mit der in Figur 2 gezeigten rotationsgespeisten Vorrichtung in die in Figur 1 gezeigte Feder- /Dämpfereinheit integriert werden. Kolben und Resolver sind jeweils mit Systemregelung 80 und Energiemodul 84 verdrahtet. Die hier offenbarten Konstruktionsformen mit dem linearen bzw. dem rotierenden Elektromotor können beide entsprechend eines im folgenden ausgeführten Systems geregelt werden.
Im folgenden wird der Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems unter Bezugnahme auf Figuren 5, 6 und 7 erläutert. Figur 5 zeigt, daß Systemregelung 80 mit verschiedenen anderen Regelkreisgliedern des erfindungsgemäßen Systems kommuniziert und wirksam mit ihnen verbunden ist. Folglich ist Systemregelung 80 sowohl mit Energiemodul 84 zusammengeschaltet, als auch mit Feder-/Dämpfereinheiten 12, Beschleunigungsmessern 82, Nievausensoren 14 und Luftkompressor 90. Mit Blick auf vorliegende Offenbarung wissen Fachleute, daß Luftkompressor 90 und Rollbalgfeder 58 Beispiele einer ganzen Gruppe solcher Vorrichtungen sind, einschließlich hydraulischer Antriebssysteme Für das erfindungsgemäße System können andere Arten dieser Vorrichtungen eingesetzt werden, einschließlich u.a. hydropneumatische oder sogar hydraulische Niederleistungsvorrichtungen. Die Regelvorrichtung 50 des Systems kurz hiernach Systemregelung 80, beinhaltet einen Mikroprozessorregler und entsprechende Eingabe- und Ausgabevorrichtungen einschließlich Analog-Digital Wandler bzw. Digital-Analog Wandler. Der Mikroprozessor weist vorzugsweise einen Festwertspeicher (ROM) auf zur Speicherung von verschiedenen Konstanten und von Regelprogrammen zur Regelung des Feder-/Dämpfersystems. Darüber hinaus beinhaltet der Mikroprozessor zum Aus lesen der Regelprogramme vom Festwertspeicher eine Zentraleinheit (CPU), so daß auf diese Weise die erforderlichen Operationen ausgeführt werden, sowie einen Schreib-Lese-Speicher (RAM), der zeitweilig verschiedene Daten für die innerhalb des Festwertspeichers auszuführenden Rechenoperationen speichert und der es ermöglicht, daß der Festwertspeicher die dort gespeicherten Daten ausliest. Des weiteren beinhaltet der Mikroprozessor einen Taktgeber, der Taktimpulse erzeugt, aufgrund derer die Rechenoperationen im Mikroprozesser ausgeführt werden. Fachleute wissen mit Blick auf diese Offenbarung, daß die vorliegende Erfindung mit Hilfe der verschiedensten Mikroprozessoren von unterschiedlichen Herstellern realisiert werden kann.
Zumindest eines der im Festwertspeicher von Systemregelung 80 gespeicherten Programme beinhaltet zur Bestimmung der von jeder Feder-/Dämpfereinheit gewünschten Kraft eine Regelung für den äußeren Regelkreis. Mit Hilfe der Daten von Beschleunigungsmessern, Niveausensoren und anderen Kraftfahrzeugsensoren berechnet der äußere Regelkreis für jede Feder-/Dämpfereinheit eine gewünschte Kraft Fc Die Kraft kann z.B. als die Kraft bestimmt werden, die sich aus folgenden Termen zusammensetzt:
Fc = k&sub1;x&sub1; + k&sub2;x&sub2; + k&sub3;x&sub3; + k&sub4;x&sub4; + k&sub5;X&sub5;
wobei
x&sub1;-x&sub5; dimensionslose Darstellungen der vertikalen Beschleunigung der Kraftfahzeugkarosserie bzw. des Fahrwerks sind; Reifenablenkung; der Abstand zwischen den Endanschlägen der Federung; und Nicken und Wanken des Fahrwerks.
k&sub1;-k&sub5; sind gewichtende Faktoren mit Werten, die innerhalb des Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs fest oder veränderlich sein können. Auf einer ebenen, gerade verlaufenden Straße z.B. kann es zur Erzielung des optimalen Fahrverhaltens wünschenswert sein k&sub1; = 1 und k&sub2; bis k&sub5; = 0 zu setzen.
Figur 7 zeigt verschiedene Diagramme, die den Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems beschreiben. Jedes der Diagramme ist mit einer Kennziffer im Bereich von I-IV versehen worden. Jedes der Diagramme ist in einen linken und in einen rechten Bereich geteilt worden. Die linken Bereiche entsprechen einer Situation, in der das Rad auf eine Bodenerhebung der Fahrbahn trifft. Die rechten Bereiche entsprechen einer Situation, in welcher der Reifen zunächst in eine Vertiefung wie z.B. ein Schlagloch gerät und dann aus der Vertiefung herausläuft.
Diagramm I zeigt die Radposition, wobei die Ordinate die Bodenfreiheit angibt. Entsprechend ist die Ordinate mit "Stoß" gekennzeichnet, um die Aufwärtsbewegung des Rades in das Fahrwerk anzuzeigen, und mit "Rückprall", um die Bewegung des Rades weg vom Fahrwerk anzuzeigen. Trifft der Reifen auf ein Hindernis, das aus der normalen Straßenebene herausragt, bewegt sich der Reifen nach oben, d.h. in Stoßrichtung näher zum Fahrwerk hin. Diesen Vorgang illustriert der linke Bereich von Diagramm I in Figur 7. Eine Aufwärtsbewegung des Reifens wird von einer Vergrößerung der lastaufnehmenden Kraft begleitet, die von Fluidfeder 58 erzeugt wird. Dies zeigt der linke Bereich von Diagramm II in Figur 7. Es sei angemerkt, daß die von Luftfeder 58 getragene statische Last durch eine Verschiebung der Abszisse in Diagramm II dargestellt ist. Wie Diagramm II zeigt, folgt die Kraft der Fluidfeder im allgemeinen der Radposition. Deshalb wird angenommen, daß die von Luftfeder 58 erzeugte Kraft eine lineare Funktion der relativen Verschiebung zwischen Rad 10 und Fahrwerk 18 ist. In dem Maße, in dem dies mit einer beliebigen Luftfeder nicht der Fall ist, weist Diagramm II nur eine andere Kennlinie auf. Der linke mit III bezeichnete Bereich von Figur 7 zeigt die Kraft eines Elektromotors, erzeugt durch eine erfindungsgemäße Feder-/Dämpfereinheit. Es sei angemerkt, daß die Kraft im Null-Punkt der Abszisse beginnt. Folglich wird Fluidfeder 58 dazu eingesetzt, die relativ unveränderlichen, von der Federung getragenen Lastkomponenten aufzunehmen. Anders ausgedrückt, die statische Last, die von den Feder-/Dämpfereinheiten aufgenommen werden muß, wird von Luftfeder 58 übernommen. Dies ermöglicht dem elektrisch gespeisten Teil der Feder-/Dämpfereinheit 12, nur den relativ abweichenden Teil der auf die Feder-/Dämpfereinheiten wirkenden Last zu übernehmen. Demzufolge zeigt Diagramm III, daß die Kraft des Elektromotors an der Abszisse bei Null-Kraft beginnt und sich gleichzeit mit dem Kraftaufbau in Luftfeder 58 aufbaut. Umgekehrt, wenn der Kraftaufbau in Luftfeder 58 nachläßt und auf den Zustand statische Last sinkt, nimmt die Kraft des Elektromotors gleichzeitig ab. Weiterhin bezugnehmend auf den linken Bereich von Diagramm III in Figur 7 zeigt der Bereich unter diesem Diagramm vom Elektromotor der Feder-/Dämpfereinheit absorbierte Energie sowie die über den Motor der Feder-/Dämpfereinheit zur elektrischen Energiequelle zugeführten Energie bei Betrieb des Elektromotors im rückführenden Modus.
Es sei angemerkt, daß im mit "A" bezeichneten Bereich auf der linken Seite von Diagramm III von der elektrischen Energiequelle durch den Motor Energie absorbiert und in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Dies geschieht, weil die vom Elektromotor erzeugte Kraft und die Bewegung des Motors in die gleiche Richtung laufen. Mit anderen Worten: in dem mit "A" bezeichneten Bereich der Kurve wird der Elektromotor dazu eingesetzt, die Rad-/Reifeneinheit gegen die Kraft von Luftfeder 58 und die Anziehungskraft hochzuziehen. Umgekehrt wird in dem mit "B" bezeichneten Bereich auf der linken Seite von Diagramm III der Motor dazu eingesetzt, der Kraft von Feder 58 und der Erdanziehungskraft entgegenzuwirken, die das Rad nach unten drücken. Der Motor wird also als Generator betrieben, der die in Luftfeder 58 gespeicherte Energie und die potentielle Gravitationsenergie in elektrische Energie umwandelt, wenn sich das Rad in Stoßrichtung bewegt, wobei die elektrische Energie entweder sofort verwendet oder für einen späteren Gebrauch gespeichert werden kann. Diese Umwandlung der in der Feder gespeicherten Energie beinhaltet das Wesen des rückführenden Betriebs dieser erfindungsgemäßen Konstruktionsform. Wenn nur eine elektrisch gespeiste Vorrichtung in der Feder-/Dämpfereinheit eingesetzt wird, wird das Gewicht der Rad-/Reifeneinheit und das Gewicht der Befestigungsvorrichtungen, mit denen das Rad an der Feder-/Dämpfereinheit befestigt ist, eine nach unten wirkende Kraft erzeugen, die dazu genutzt werden kann, rückführende Energie aus der Feder-/Dämpfereinheit abzuführen. Die für die Rückführung verfügbare Gesamtenergie wird aufgrund von Reibungsverlusten, Trägheit und elektrischer Leitungsverluste im allgemeinen nicht der dem System vom Elektromotor zugeführten Gesamtenergie entsprechen. Die in Diagramm III gekennzeichneten Bereiche können nicht mit der Menge der von der Feder-/Dämpfereinheit übertragenen Energie in Beziehung gebracht werden, weil die Abszisse von Diagramm III Zeit und nicht Positionsveränderung markiert. Diagramm III zeigt aber die Größe und Richtung der von den motorisierten Teilen der Feder-/Dämpfereinheit ausgeübten Kräfte.
Diagramm IV illustriert im linken Teil von Figur 7 die auf die Karosserie bzw. das Fahrwerk wirkende Nettokraft, die sich aus dem Betrieb von Feder-/Dämpfereinheit 12 bei einem Zusammentreffen von Fahrbahnerhebung und Reifen ergibt. Die Kraftlinie ist beinahe flach und legt damit nahe, daß eine fast konstante Kraft, die sich der für das Tragen des Kraftfahrzeugs erforderlichen statischen Kraft nähert, auf die Karosserie wirkt. Das hat zur Folge, daß sich die Insassen des Fahrzeugs eines erhöhten Fahrkomforts ohne unerwünschte Straßeneinwirkungen erfreuen können.
Wie oben beschrieben illustriert der rechte Bereich von Figur 7 ein Beispiel, in welchem der Reifen in eine Vertiefung der Straßenoberfläche gerät. Dementsprechend zeigt Diagramm 1, wie sich das Rad in Richtung Rückprall bewegt und dann wieder zurück hoch in die nominelle Fahrhöhe. Die von Luftfeder 58 entwikkelte Kraft folgt der Abweichung von der Bodenfreiheit (Diagramm II). Wie zuvor zeigt Diagramm III die Kraft des Elektromotors. Die Bereiche von Diagramm III, die energieabsorbierenden und energierückführenden Betrieb zeigen, sind umgekehrt im linken und rechten Teil der Kurve. Dieses Phänomen tritt auf, weil sich das Rad nach unten in die Vertiefung bewegt und der Elektromotor eine nach oben wirkende Kraft ausübt; das hat zum Ergebnis, das der Motor mit rückgeführter Energie angetrieben wird. Bewegt sich das Rad am Ende der Vertiefung wieder nach oben, zieht der Motor das Rad nach oben, um das Einführen von Kraft in das Fahrwerk zu vermeiden. Dies entspricht dem mit "A" gekennzeichnten bzw. dem energieabsorbierenden Bereich der im rechten Teil von Diagramm III gezeigten Kurve. Das Diagramm der auf die Karosserie wirkenden Nettokraft zeigt für das vorliegende Beispiel, daß nur sehr wenig Kraft an die Karosserie weitergegeben wurde.
Folgende Ausführungen beziehen sich auf Figur 5. Wenn die Rad-/Reifeneinheit auf ein Hindernis wie im linken Bereich von Figur 7 trifft, mißt Systemregelung 80 über Motorlastzelle 54 und pneumatischer Federzelle 66 einen Kraftzuwachs. Anders ausgedrückt erfassen die Kraftzellen größere auf das Fahrwerk wirkende Kräfte mit den Kräften, die durch die pneumatischen und elektrischen lasttragenden Vorrichtungen übertragen werden. Sobald ein Lastzuwachs registriert wird, gibt Systemregelung 80 einen Befehl an elektronisches Energiemodul 84 zur Aktivierung von Feder-/Dämpfereinheiten 12, um auf diese Weise den innerhalb von Fluidfeder 58 erzeugten Kraftaufbau durch Anheben des Rades entgegenzuwirken. Den Feder-/Dämpfereinheiten wird die erforderliche Energie von Kondensator 86 zugeführt, der wirksam mit elektronischem Energiemodul 84 (Figur 5) verbunden ist, welchem wiederum der vom Kraftfahrzeugmotor angetriebene Generator 88 Energie zuführt. Alternativ kann die Leistungsabgabe von Generator 88 durch eine Akkumulatorenbatterie erhöht werden. Wenn das Fahrzeug keinen Motor hat, kann Generator 88 gänzlich durch eine Akkumulatorenbatterie ersetzt werden. In dem hier angeführten Beispiel bildet Kondensator 86 eine Einheit; für bestimmte erfindungsgemäße Anwendungsbereiche kann es wünschenswert sein, mehrere hochvolumetrische Leistungskondensatoren einzusetzen, wobei jeweils einer der Kondensatoren in der Nähe einer Feder-/Dämpfereinheit positioniert wird.
Systemregelung 80 kann die relativ variablen und relativ invariablen Bestandteile der auf Feder-/Dämpfereinheiten 12 wirkenden Lasten durch Verfolgen der Laststärke als Funktion der Zeit bestimmen. Ist der invariable Teil der Last isoliert, kann Luftfeder 58 der Befehl gegeben werden, diesen Teil der Last zu erzeugen, wodurch der Elektromotor von der Aufgabe der Erzeugung der dynamischen Feder-/Dämpferkräfte befreit wird.
Nimmt wie in Diagramm II von Figur 7 die Last auf Luftfeder 58 zu, gibt Systemregelung 80 ein Signal an elektronisches Energiemodul 84, das den Elektromotor des Federbeins veranlaßt, dieser Kraft entgegenzuwirken. Ein Kraftbefehl wird an Feder-/Dämpfereinheit 12 gegeben, der einer Rückkopplung von Niveausensor 14 bedarf, daß eine unzureichende Menge Stoß in der Feder-/Dämpfereinheit ist. Wenn also Niveausensoren 14 anzeigen, daß die Feder-/Dämpfereinheit das Ende der Stoßstufe erreicht, gibt Systemregelung 80 an elektronisches Energiemodul 84 ein künstliches Endanschlagsignal, um auf diesem Wege die vom Elektromotor entwikkelte Kraft wesentlich zu reduzieren, wodurch verhindert wird, daß die Feder-/Dämpfereinheit durchschlägt.
Vorhergehende Ausführungen erläutern, daß die Systemregelung nicht nur als Lastzuteilungsvorrichtung dient, die auf die Lastzellen und Niveausensoren zur Bestimmung der relativ variablen und relativ invariablen Bestandteile der Lastzustände anspricht, sondern auch als Vorrichtung zur Einstellung des Teils der Gesamtlast, die von jedem lasttragenden Element des Federbeins aufgenommen wird. Wie unter Bezugnahme auf Figur 6 noch ausführlicher erläutert werden wird, umfassen Systemregelung 80 und elektronisches Energiemodul 84 zusammen eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kraftbefehlen, die den von den einzelnen lasttragenden Vorrichtungen zu erzeugenden Kräften entsprechen, und einen Vergleicher zum Vergleich der Befehlskräfte mit den von den Lastzellen gemessenen Kräften, so daß ein Fehlersignal erzeugt werden kann, das dazu dient, neue Kraftbefehle zu berechnen, so daß die Von der Feder- /Dämpfereinheit tatsächlich erzeugten Kräfte gleich den Befehlskräften sind. Die Systemregelung kann mit einem Proportional-Integral-Differential (PID)-Verfahren das Fehlersignal in ein korrigiertes Kraftsignal umwandeln. Das bekannte PID-Regelverfahren erzeugt ein Ausgabesignal, das proportional zur Stärke des Fehlersignals sowie dessen Zeitableitung und Zeitintegral ist. Das PID-Regelverfahren ist nur eines von mehreren verschiedenen Regelverfahren, die für ein erfindungsgemäßes System eingesetzt werden können.
Der relativ invariable Teil der Kraftfahrzeuglast, die auf jedes Teil der Feder-/Dämpfereinheit 12 ausgeübt wird, wird normalerweise von Luftfeder 58 aufgenommen. Dies ist immer dann der Fall, wenn Systemregelung 80 entweder Kompressor 90 signalisiert, Luftfeder 58 über Ventil 64 Luft zuzuführen oder Luft aus Luftfeder 58 abzuführen, um auf diese Weise das Niveau des Kraftfahrzeugs wieder auf den nominalen Wert zu bringen. Folglich verläßt man sich nicht darauf, daß der elektrisch gespeiste Teil von Federung 12 das zur Verfügung stellt, was analog zur elektronischen Theorie der "Gleichstrom" bereich der Last ist.
Im Falle daß das Kraftfahrzeug, trotz der genauen lasttragenden Kennlinien einer erfindungsgemäßen Feder-/Dämpfereinheit, eine vertikale Geschwindigkeit entwickelt, die mit einem oder mehreren Beschleunigungsmessern 82 erfaßt wird (Figur 5), wird eine modifizierte Regelung zum Zwecke der Dämpfung einer solchen vertikalen Fahrwerkbewegung eingesetzt. Dieser modifizierte Algorithmus veranlaßt Feder-/Dämpfereinheit 12, Kräfte auf die Karosserie auszuüben, die zu jedem beliebigen Zeitpunkt in entgegengesetzter Richtung der Karosseriegeschwindigkeit wirken. Anders ausgedrückt: Bewegt sich die Karosserie abwärts, erhält die Feder-/Dämpfereinheit den Befehl, eine nach oben gerichtete Kraft auszuüben, um auf diese Weise die Karosseriebewegung zu dämpfen.
Figur 6 zeigt bestimmte Details eines elektronischen Energiemoduls, das sinnvollerweise in ein erfindungsgemäßes System eingebaut werden kann. Figur 6A zeigt zusätzliche Details des Aufbaus von Figur 6 einschließlich des Aufbaus des in Figur 6 enthaltenen feldorientierten Reglers.
Figur 5 zeigt, daß elektronisches Energiemodul 84 von Systemregelung 80 Kraftbefehle Fc erhält. Das Energiemodul hat die Aufgabe, an Elektromotor 52 die korrekten Phasenströme zu liefern, so daß die von Systemregelung 80 spezifizierten Kräfte erzeugt werden.
In Figur 6 markiert Summator bzw. Vergleicher 100 den Punkt, an dem der Kraftbefehl Fc, d.h. die Soll-Kraft von Systemregelung 80, addiert wird zu Fdev oder, anders ausgedrückt, mit Fdev verglichen wird. Wie in Figur 6 zu erkennen, ist Fdev die von Lastzellen 54 und 66 abgeleitete Kraftausgabe; Fdev kann auch teilweise von der Systemregelung über die Stromdaten des Elektromotors abgeleitet werden. Das Ausgangssignal von Vergleicher 100 wird an feldorientierten Regler 102 weitergeleitet, der im folgenden unter Bezugnahme auf Figur 6A ausführlicher beschrieben wird. Die Aufgabe des feldorientierten Reglers 102 ist die Berechnung der entsprechenden Phasenströme, die jedem der drei Phasenschaltungszweige 110 zugeführt werden, die Elektromotor 52 mit Phasenströmen versorgen.
Zusätzlich zu den im vorangegangenen beschriebenen Eingangsdaten erhält feldorientierter Regler 102 ebenfalls Daten von Läuferpositionssensor 46, der in diesem Falle den im vorangegangenen beschriebenen optischen Kodierer beinhaltet. Schließlich erfaßt feldorientierter Regler 102 die Ströme in den einzelnen Windungen des Elektromotors. Obwohl in der Abbildung nur Ströme IA und IB direkt erfaßte Ströme angezeigt werden und der dritte Strom IC von Strömen IA und IB von Vergleicher 105 abgeleitet wird als negative Summe der Ströme IA und IB, wissen Fachleute mit Blick auf diese Erfindung, daß alternativ zum Einsatz von Vergleicher oder Summator 105 alle drei Phasenströme direkt gemessen werden können.
Feldorientierter Regler 102 berechnet die gewünschten Phasenströme IA*, IB* und IC*. Diese idealisierten Phasenströme werden von Vergleichern 104 mit jedem der gemessenen Phasenströme IA, IB und IC verglichen. Die jeweilige Abweichung wird dann an Strommodusregler 106 weitergeleitet. Aufgabe des Strommodusreglers ist es, die Phasenströme ein- bzw. auszuschalten, wenn ein vorgegebener Hysteresestrom erreicht ist. Strommodusregler CS320 von Cherry Semiconductor ist für den Einsatz in Vorrichtung 106 zu empfehlen. Die Ausgabedaten von den Strommodusreglern werden an Treiber 108 weitergeleitet, die für das Schalten von Transistoren S1-S6 die Gateströme liefern.
Transistoren S1 und S2, S3 und S4 sowie S5 und S6, die in Figur 6 mit 110 bezeichnet sind, umfassen jeweils Phasenschaltungszweige, um Elektromotor 52 mit drei getrennten Phasenströmen zu versorgen. Jeder der Transistoren S1-S6 umfaßt einen Bipolartransistor mit integriertem Gate (IGBT). Fachleute wissen, daß andere Halbleiter, wie z.B. MOS-Feldeffektransistoren oder MCT-Vorrichtungen anstelle der gezeigten IGBT-Einheiten eingesetzt werden können IGBT-Paareinheiten, die von MOSLOC, Inc. aus deren Motor Drive Serien als Phasenschaltungszweigmodule verfügbar sind, sind für den Einsatz im Schaltkreis eines erfindungsgemäßen Systems zu empfehlen. Die Ausgabedaten der Phasenschaltungszweigmodule werden direkt an Elektromotor 52 geleitet.
Der gestrichelte Bereich in Figur 6A, der mit 102 bezeichnet ist und der dem feldorientierten Regler entspricht, umfaßt einen Digitalrechner. Für den erfindungsgemäßigen Einsatz eignet sich ein Ford Motor Company EEC-IV Regler, der über einen Intel, Modell 8061 Mikroprozessor verfügt. Phasenströme IA, IB und IC erreichen feldorientierten Regler 102 an kombiniertem Abtast- und Halteverstärker und A-D Wandlern (SHA/ADC) 112. Die digitalen Äquivalente der Phasenströme werden in Block 120 von Figur 6A in verschiedenen Gleichungen zur Berechnung von IQ und ID eingesetzt, welche die Quadratur- und Längsachsen-Äquivalenzströme für Elektromotor 52 sind. IQ wird darüber hinaus zur Berechung von F' genutzt, der geschätzten entwickelten Kraft. Die Gleichung für F' ist in Block 120 aufgeführt. Alternativ kann zur Berechnung von F' die von den Lastzellen erfaßte Kraft über SHA/ADC 118 eingesetzt werden.
Der Gleichungen berechnende Block 120 in Figur 6A erhält weitere Eingabedaten von optischen Kodierer 42 oder einer anderen Art Motorpositionssensor in Form von θM, die an MBUS Dekodierer 114 weitergegeben werden. Schließlich werden Kraftbefehle von Systemregelung 80 über SHA/ADC 116 in die Berechnung aufgenommen.
Wie in Block 120 dargestellt, berechnet der Computer sowohl θE, den elektrischen Rotorwinkel, der dem mechanischen Rotorwinkel θM entspricht, als auch IQ, ID und F', wie zuvor beschrieben.
Nach Abschluß der Berechnungen in Block 120 vergleicht der Rechner ID mit ID', wobei ID mit Vergleicher 122 gleich Null gesetzt wird, aber nur dann, wenn Elektromotor 52, dargestellt in der in Figur 2 abgebildeten Konstruktionsform, ein Dauermagnetmotor ist. ID' kann für andere Konstruktionsformen, wie z.B. bei einem linearen Induktionsmotor, ungleich Null sein. Das Ergebnis des Vergleichs IDE wird dann von PID- Regler 124 modifiziert. Dieser Regler umfaßt im wesentlichen einen Integrator und einen Proportionalvervielfacher. Der gewünschte Strom ID wird von PID- Regler 124 ausgegeben. In einer Idealsituation wäre es möglich, den Stromvergleich und Stromverfolgung ohne den Einsatz eines PID-Kompensators durchzuführen. Da aber Elektromotor 52 mit finiten Zeitkonstanten arbeitet, die ungleich Null sind, erfolgt die Reaktion auf die Phasenströme nicht ohne Verzögerung) der PID nützt den Fehler zur Verbesserung der Reaktionsfähigkeit des Systems. Auf ähnliche Weise wird die geschätzte entwickelte Kraft F' mit dem Kraftbefehl von Vergleicher 128 verglichen; die Abweichung wird an PID 130 geleitet und dann durch eine Multiplikation in Block 132 in IQ* umgewandelt. Fachleute wissen, daß PID 124 und PID 130 durch andere bekannte bzw. in der Offenbarung vorgeschlagene Regelungsstrategien ersetzt werden können. In Block 126 wandelt ein umgekehrter Umwandlungsprozeß ID* und IQ* in die gewünschten Leitungsströme IA*, IB* und IC*. Schließlich werden Digital-Analog-Wandler für die Wandlung der digitalen Signale IA*, IB* und IC* in analoge Signale eingesetzt, die an Vergleicher oder Summatoren 104 weitergeleitet werden (Figur 6).
Figur 6 zeigt, daß die Kombination von Vergleicher 104 und Strommodusregler 106 ein Stromband oder einen Hystereseregler umfassen, die sich auf die Rückkopplung der drei Statorströme stützen, um auf diese Weise Gleichströme zum Elektromotor auf ein Minimum zu reduzieren. Dadurch wird Drehmomentpulsation in der Feder- /Dämpfereinheit auf ein Minimum reduziert.
Aus vorhergehenden Ausführungen ist zu sehen, daß ein erfindungsgemäßes System die lastaufnehmende Kraft erfaßt, die die einzelnen, darin eingesetzten, lasttragenden Vorrichtungen erzeugen, und Kraftbefehle bestimmt, um die Summe der lastaufnehmenden Kräfte, die von den lasttragenden Vorrichtungen erzeugt werden, auf einem Wert zu halten, der ungefähr der relativ invariablen Lastkomponente entspricht. Diese Kraftbefehle werden an die verschiedenen Feder- /Dämpfereinheiten ausgegeben, so daß die gewünschten Lastkräfte aufgebaut werden können.
Die bevorzugten Konstruktionsformen der Erfindung bieten zahlreiche Vorteile, unter anderem folgende:
1. Die elektrisch gespeiste aktive Federung erfordert im Standby Modus keine erwähnenswerte Energiezufuhr.
2. Die elektrisch gespeiste aktive Federung verbraucht weniger Energie als ein hydraulisches System mit vergleichbarer Leistung, weil die Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie durch die hier beschriebenen Dämpf-/Federeinheiten effektiver ist, als die Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie durch herkömmliche, hydraulische aktive Federsysteme.
3. Die elektrisch gespeiste aktive Federung erlaubt einen rückführenden Betrieb, in welchem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt und an die elektrische Energiequelle zurückgeführt werden kann, wodurch die Effektivität weiter gesteigert wird.
4. Die aktive Federung zeigt nicht die unerwünschte Lautstärke, das Vibrieren und die Inflexibilität, die üblicherweise bei hydraulisch gespeisten aktiven Federungen anzutreffen sind.
5. Die aktive Federung ist an eine computergestützten Regelung des Feder-/Dämpfsystems eher anpaßbar, die bei der Regelung der Energielastbedürfnisse hilfreich ist, welche dieses System an den Motor des Kraftfahrzeugs oder einer anderen Antriebsmaschine stellen.
6. Die aktive Federung hat ein geringeres Gewicht als ein hydraulisch angetriebenes System mit ähnlicher Kapazität.
7. Die sehr niedrigen Systemreaktionszeiten schaffen Freiraum bei der Abstimmung des Systems auf ein bestimmtes Kraftfahrzeug.
Fachleuten werden diese Erfindung betreffend zahlreiche Veränderungsmöglichkeiten ins Auge fallen. So können z.B. bestimmte Funktionen der hier beschriebenen Mikroprozessoren durch herkömmliche Schaltkreise oder Regeleinrichtungen ausgeführt werden. Darüber hinaus bleibt die Wahl einer bestimmten Federung- /Dämpfung, in welcher ein erfindungsgemäßes System eingesetzt werden soll, dem jeweiligen Konstrukteur überlassen.

Claims

1. Elektrisch gespeiste aktive Feder-/Dämpfereinheit für ein Kraftfahrzeug, die besteht aus:

einer Rad-/Reifeneinheit (10)

einer elektrisch gespeisten Feder-/Dämpfereinheit (12),

die eine Kraft zwischen genannter Einheit und dem Fahrwerk (18) des Kraftfahrzeugs erzeugt als Reaktion auf externe Krafteinwirkungen auf genannte Einheit und genanntes Fahrwerk, wobei genannte Einheit eine erste und eine zweite lasttragende Vorrichtung enthält, die zwischen genannt er Einheit und genannt ein Fahrwerk positioniert sind, wobei genannte erste lasttragende Vorrichtung zur Positionierung genannt er Einheit bezogen auf genanntes Fahrwerk einen Elektromotor (52) enthält und genannte zweite lasttragende Vorrichtung eine Feder (16, 58) enthält;

Vorrichtungen (54, 66) zur Erfassung externer Kräfte, die eine vertikale Bewegung genannter Einheit bezogen auf genanntes Fahrwerk hervorrufen, wobei genannte Meßvorrichtungen Lastmeßvorrichtungen (54, 66) zur Erfassung der lastaufnehmenden Kräfte enthalten, die die einzelnen lasttragenden Vorrichtungen (52, 16, 58) erzeugen, sowie zur Erzeugung von Signalen, die genannten Kräften ensprechen;

Höhensensor (14) zur Bestimmung der Fahrhöhe des genannten Kraftfahrzeugs, die dem vertikalen Abstand zwischen genanntem Rad und genanntem Fahrwerk entspricht, und zur Erzeugung eines Höhensignals, welches solch einer Fahrhöhe entspricht; und

Regelvorrichtung 80 für den Betrieb genannten Elektromotors zur Regelung genannter Einheit, um in Echt zeit auf genannte externe, von Meßvorrichtungen (54, 66) erfaßte Kraftdaten zu reagieren, während das Kraftfahrzeug in Bewegung ist, und auf diese Weise die vertikale Bewegung der genannten Rad-/Reifeneinheit bezogen auf das Fahrwerk zu regeln;

genannter Regelvorrichtung, die ebenfalls auf genannte Last- und Höhensensoren ansprechende Last zuteilungsvorrichtung zur Bestimmung der relativ variablen und relativ invariablen Bestandteile genannter Lasten enthält sowie zur Regulierung des Teils der Gesamtlast, welchen die genannten einzelnen lasttragenden Vorrichtungen aufnehmen.

2. Feder-/Dämpfereinheit nach Anspruch 1, in welcher genannt er Elektromotor ein elektrischer Umlaufmotor mit einem Drehanker (42) ist, der ein Sammelgetriebe (26, 34) antreibt, so daß eine Rotationsbewegung des genannten Ankers in eine vertikale Bewegung genannter Rad-/Reifeneinheit bezogen auf das Fahrwerk umgewandelt wird.

3. Feder-/Dämpfereinheit nach Anspruch 1, in welcher genannter Elektromotor ein linearer Elektromotor ist, der von genannter Regelvorrichtung betrieben wird und dessen Tauchanker (68) und Stator (70) zwischen genanntem Fahrwerk und genannter Rad-/Reifeneinheit positioniert sind, so daß eine Gleitbewegung des genannten Tauchankers bezogen auf genannten Stator von einer vertikalen Bewegung der genannten Einheit bezogen auf genanntes Fahrwerk begleitet wird.

4. Feder-/Dämpfereinheit nach Anspruch 1, in welcher genannter Tauchanker (68) wirksam mit genanntem Fahrwerk und genannter Stator (70) wirksam mit genannter Rad-/Reifeneinheit verbunden ist.

5. Feder-/Dämpfereinheit nach einem vorhergehenden Anspruch, in welcher genannte Feder eine um genannten Motor befestigte Fluidfeder (58) ist.

6. Feder-/Dämpfereinheit nach einem vorhergehenden Anspruch, welche darüber hinaus eine elektrische Energiequelle (88) enthält, die mit genannter Regelvorrichtung (80) und mit genanntem Elektromotor verbunden ist, so daß genannte Energiequelle an genannten Elektromotor sowohl Energie liefern als auch auch von dort Energie absorbieren kann.

7. Feder-/Dämpfereinheit nach einem vorhergehenden Anspruch, in welcher genannte Lastzuteilungsvorrichtung eine Vorrichtung (84) zur Erzeugung von Kraftbefehlen aufweist, welche den von den einzelnen lasttragenden Vorrichtungen zu erzeugenden Kräften entsprechen, sowie eine Vergleichseinrichtung, um genannte Befehlskräfte mit den von genannten lasttragenden Vorrichtungen tatsächlich erzeugten Kräften zu vergleichen und ein auf genanntem Vergleich beruhendes Fehlersignal zu erzeugen, sowie eine Reguliervorrichtung zur Regulierung genannt er Kraftbefehle, so daß genannte Kraftbefehle so reguliert werden können, daß die genannten tatsächlichen Kräfte den genannten Kraftbefehlen entsprechen.

8. Feder-/Dämpfereinheit nach Anspruch 7, in welcher genannte Reguliervorrichtung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gewünschten Kraftsignals durch Umwandeln genannten Fehlersignals in ein Signal mit Bestandteilen, die proportional zur Größe des genannten Fehlersignals und zu seiner Zeitableitung und seinem Zeitintegral ist.

9. Feder-/Dämpfereinheit nach Anspruch 7 oder 8, wobei genannte Lastzuteilungsvorrichtung außerdem eine Vorrichtung enthält, die auf genannte Höhensignale zur Bestimmung der vertikalen Geschwindigkeit des genannten Fahrwerks reagiert, sowie eine Vorrichtung, die genannte erste lasttragende Vorrichtung als Generator funktionieren läßt, der die Energie der genannten Energiequelle zuführt, wenn die Richtung von genanntem Kraftbefehl und die Richtung genannt er vertikaler Geschwindigkeit entgegengesetzt sind, die aber genannte erste lasttragende Vorrichtung als Motor arbeiten läßt, wenn die Richtungen genannter Geschwindigkeit und genannten Kraftbefehls gleich sind.

10. Feder-/Dämpfereinheit nach Anspruch 7, in welcher genannte Lastzuteilungsvorrichtung genannte Kraftbefehle erzeugt, so daß die Summe der Kräfte, die von mehreren Feder-/Dämpfereinheiten erzeugt werden, bei denen genannte lasttragende Vorrichtung verwendet wird, ungefähr gleich dem relativ invariablen Bestandteil der Last ist, die zur Beibehaltung einer gewünschten Fahrzeugneigung erforderlich ist.