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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radaufhängung für ein Fahrzeug.
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Eine Radaufhängung in einem Fahrzeug, wie z.B. in einem Automobil,
ist normalerweise mit einem Stoßdämpfer versehen, der verhindert, daß
die aufgrund der Straßenverhältnisse entstehenden Schwingungen des
Rades auf die Karosserie übertragen werden. Ein solcher Stoßdämpfer
ist üblicherweise zwischen dem Rad und der Karosserie angebracht und
umfaßt eine Feder und einen Dämpfer, die parallel zueinander
angeordnet sind.
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In einem solchen Stoßdämpfertyp wird eine Stoßdämpfung durch
Auswählen des Wertes der Federkonstante k der Feder und des
Dämpfungsfaktors c des Dämpfers in bezug auf den Wert des Gewichts
m des Fahrzeugs kontrolliert, so daß die Schwingung am Rad
entsprechend dem Dämpfungsverhältnis ξ = c : (2 : m x k) gedämpft wird.
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Der Stoßdämpfer aus dem Stand der Technik weist den Nachteil auf,
daß eine Einstellung des Dämpfungsverhältnisses ξ nach der
Befestigung der Einheit am Fahrzeug schwierig ist, da die Federkonstante k
und der Dämpfungsfaktor c des Dämpfers einen festen Wert erhalten,
wenn das Fahrzeug zusammengesetzt wird. Es sollte erwähnt werden,
daß das Dämpfungsverhältnis nicht konstant bleibt und sich mit der Zeit
und Gebrauch verändert, aber im Stand der Technik ist es nicht möglich
gewesen, einen Dämpfungseffekt über einen weiten Bereich von
Schwingungsfrequenzen zu erreichen.
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Ein verbesserter Stoßdämpfer ist vorgeschlagen worden, worin ein
Dämpfer mit einem Kolben vorgesehen ist, der eine Öffnung/Öffnungen
aufweist, dessen Größe durch einen Antrieb, wie z.B. einen
Schrittmotor, variiert werden kann, so daß der Dämpfungsfaktor c eingestellt
werden kann. Allerdings liegt ein Nachteil der verbesserten Vorrichtung
darin, daß ihr Aufbau komplex ist und ihre Ansprechgeschwindigkeit bei
einer Anpassung des Dämpfungsfaktors an die sich ändernden
Schwingungszustände
langsam ist. Daher ist es schwierig, eine gewünschte
Dämpfungscharakteristik innerhalb eines kurzen Zeitraums zu erreichen,
obgleich das Dämpfungsverhältnis aufgrund des Zeitmangels schnell
verändert werden muß.
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GB-A-1 282 568 beschreibt einen Dämpfer entsprechend des
Oberbegriffs von Anspruch 1, in dem das benutzte Fluid ein elektroviskoses
Fluid ist und Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes im Fluid
zur Verfügung gestellt sind, so daß in dem Fluid ein erhöhter
Schubwiderstand induziert wird, der eine Variierung der
Dämpfungscharakteristik des Dämpfers erlaubt. In einer speziellen Ausführungsform wird
das elektrische Feld abhängig von einer Raderschütterung erzeugt, die
durch einen einzigen Beschleunigungsmesser nur in einer Richtung
ermittelt wird.
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Diese Erfindung stellt ein Fahrzeug zur Verfügung, das eine Karosserie,
eine Mehrzahl von Rädern und für jedes Rad eine Radaufhängung,
einschließlich eines Dämpfers, aufweist, der ein erstes Element zur
Verbindung mit der Fahrzeugkarosserie und ein zweites Element zur
Verbindung mit einem Rad des Fahrzeugs besitzt, wobei das erste und das
zweite Element relativ zueinander bewegt werden, erste und zweite
Kammern, die zwischen dem ersten und dem zweiten Element
ausgeformt sind und die mittels mindestens einem Durchflußweg miteinander
verbunden sind, ein elektroviskoses Fluid, mit dem die erste und die
zweite Kammer gefüllt sind, Mittel zur Erzeugung eines elektrischen
Feldes in dem durch den Durchflußweg fließenden Fluid, Meßmittel zur
Ermittlung eines Schwingungszustandes am Rad und eine
Regeleinrichtung für die Felderzeugungsmittel, die entsprechend des ermittelten
Schwingungszustandes die Stärke des erzeugten elektrischen Feldes
regelt, um die gewünschte Dämpfungseigenschaft für Schwingungen
zwischen dem Rad des Fahrzeugs und der Karosserie zu erzeugen. Die
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Mehrzahl von Meßmitteln
für jedes Rad zur Ermittlung verschiedener Schwingungszustände des
Rades bezogen auf Beschleunigungen des Rades in verschiedenen
Richtungen vorhanden sind, und dadurch, daß die Regeleinrichtung für die
Felderzeugungsmittel das Feld entsprechend den verschiedenen,
ermittelten Schwingungscharakteristiken regelt.
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In einer besonderen Ausführungsform können die Meßmittel Sensoren
zur Ermittlung der in den Fahrzeugrädern in verschiedenen Richtungen
erzeugten Beschleunigungsraten besitzen, und die Regeleinrichtung regelt
das elektrische Feld entsprechend den ermittelten Beschleunigungsraten.
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Es folgt eine Beschreibung einiger spezieller Ausführungsformen der
Erfindung, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird. Darin
bedeuten:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung des Radaufhängungssystems
gemaß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 eine schematische Darstellung des Fahrzeugs mit einem
Radaufhängungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3 eine Längsschnittansicht des Dämpfers aus Fig. 1 oder 2;
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Fig. 4 eine Querschnittansicht entsprechend der Linie IV-IV in
Fig. 3;
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Fig. 5 die Darstellung eines Straßenzustands, an dem die
Funktionssimulation der Radaufhängung der vorliegenden
Erfindung durchgeführt wird;
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Fig. 6 ein Beispiel einer Regelung des Dämpfungsfaktors
abhängig vom Grad der Beschleunigung;
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Fig. 7 Sollwertvorgaben für die Dämpfungsfaktoren der
Front- und Hinterräder des Fahrzeuges;
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Fig. 8 (a), (b), (c) und (d) ein Beispiel zu Auslenkung,
Geschwindigkeit, Beschleunigungsrate, bzw. Dämpfungsfaktor in einer
Simulation des Radaufhängungssystem, wenn eine
stufenweise Auslenkung auf das System aufgebracht wird;
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Fig. 9 (a) und 9 (b) vergrößerte Ansichten der in Fig. 8 (c) bzw. (d)
umkreisten Bereiche; und
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Fig. 10 ein Flußdiagramm, das die Regelung des Dämpfungsfaktors
im Anfangsstadium darstellt entsprechend dem Grad der
Beschleunigung, die vom Rad auf die Radaufhängung
ausgeübt wird.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Radaufhängungsvorrichtung, die für jedes der Räder 2 eines Fahrzeugs
Stoßdämpfer vorsieht. Der Stoßdämpfer 1 ist zwischen einem Rad 2, das
einen Schwingungskörper mit einer Masse M (Hauptmasse) und einer
Federrate K darstellt, und einer Karosserie 3 der Masse m (Hilfsmasse)
angebracht. Der Stoßdämpfer 1 besteht aus einer Feder k und einem
Dämpfer 5, die parallel zueinander angeordnet sind.
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Fig. 2 ist eine diagrammartige Ansicht eines Fahrzeugs, in dem die
Radaufhängungsvorrichtung aus Fig. 1 verwendet ist. Die Karosserie 3
besitzt vier Räder 2-1, 2-2, 2-3 und 3-4. Die Räder 2-1, 2-2, 2-3 und 2-
4 mit den Massen M-1, M-2, M-3 bzw. M-4 sowie die Federn K-1, K-
2, K-3 und K-4 sind mit der Fahrzeugkarosserie 3 mittels zugehörigen
Stoßdämpfern 1-1, 1-2, 1-3 und 1-4 verbunden. Die Stoßdämpfer 1-1, 1-
2, 1-3 und 1-4 sind aus den Federn 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 und den
Dämpfern 5-1, 5-2, 5-3 bzw. 5-4 aufgebaut. Wie im folgenden anhand
Fig. 1 beschrieben werden wird, werden die Schwingungsparameter, wie
z.B. eine Beschleunigungsrate an jedem der Räder 2-1, 2-2, 2-3 und 2-
4, unabhängig voneinander mittels zugehöriger Sensoren (21 in Fig. 1)
gemessen, und der Regelkreis 22 gibt Signale an die Dämpfer 5-1, 5-2,
5-3 bzw. 5-4 der Stoßdämpfer 1-1, 1-2, 1-3 bzw. 1-4 zur Kontrolle der
Dämpfungscharakteristik der zugehörigen Dämpfer.
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Der Dämpfer 3 oder 5-1 bis 5-4 in Fig. 1 und 2 des Stoßdämpfers 1
bzw. 1-1 bis 1-4 ist, wie z.B. in Fig. 3 und 4 gezeigt, aufgebaut. Der
Dämpfer 5 besitzt ein zylindrisches Dämpfergehäuse 11 und einen
Kolben 12, der so im Dämpfergehäuse 11 angebracht ist, daß
Flüssigkeitskammern 13a und 13b oberhalb bzw. unterhalb des Kolbens 12 im
Gehäuse 11 gebildet werden. Der Kolben 12 hat eine Öffnung, die einen
rechteckig geformten Durchflußweg 14 zur Verbindung der Kammern
13A und 13B bildet. Eine Betriebsstange 15 ist fest mit dem Kolben 12
verbunden und ragt axial aus den axialen Endwänden 5A bzw. 5B des
Gehäuses 5 heraus. Ein runder Dichtungsring 16 ist entlang der äußeren
Peripherie des Kolbens 12 fixiert, so daß der Kolben 12 gegen die
innere Oberfläche des Gehäuses 5 verschiebbar ist, ohne daß das Fluid durch
einen Spalt zwischen der inneren Oberfläche des Gehäuses 5 und der
äußeren Peripherie des Kolbens 12 hindurchtreten kann. Dichtungsringe
17 sind an der inneren Oberfläche der Öffnungen in den Endwänden 5A
und 5B des Dämpfungsgehäuses, durch die die Betriebsstange 15
eingeführt wird, angebracht, um das Öl in den Kammern 13A bzw. 13B
abzudichten.
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Der Dämpfer 5 sieht desweiteren ein Paar sich gegenüberliegender
Elektroden 18 und 19 für jeden der Durchflußwege 14 vor. Die
Elektroden 18 und 19 sind paarweise mittels zugehöriger Isolierelemente
100 an den gegenüberliegenden inneren Oberflächen der Öffnung, die
den zugehörigen Durchflußweg 14 definiert, angebracht, und ein
elektroviskoses Fluid, d.h. Winslow Fluid, wird im Inneren des Gehäuses 5
aufgeladen.
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Es sollte erwähnt werden, daß zusätzlich zu oder anstelle der sich
gegenüberliegenden Elektroden 18 und 19 an den sich gegenüberliegenden
inneren Oberflächen des Durchflußweges 14 des Kolbens 12 ein
röhrenförmiger Schlitz zwischen der inneren Oberfläche des Gehäuses 11 und
der äußeren Oberfläche des Kolbens 12 zur Verbindung der Kammern
13A und 13B ausgebildet werden kann, und daß sich gegenüberliegende
Elektroden auf der inneren Oberfläche des Dämpfergehäuses 11 und der
äußeren Oberfläche des Kolbens 12 mittels des röhrenförmigen Schlitzes
ausgebildet werden können.
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Eine elektrische Kraftversorgung 20 ist so mit den Elektroden 18 und 19
verbunden, daß eine elektrische Spannung zwischen den sich
gegenüberliegenden Elektroden 18 und 19 angelegt werden kann. Die Stange 15 ist
darin mit einem elektrischen Leitungssystem (nicht gezeigt) versehen,
das eine elektrische Verbindung zwischen der elektrischen
Kraftversorgung und den Elektroden 18 und 19 bildet. Es sollte erwähnt werden,
daß die elektrische Kraftversorgungseinrichtung 20 im Kolben 12 oder
an der Betriebsstange 15 befestigt werden kann.
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Die Anordnung des Dämpfers 5 mit dem oben erwähnten Aufbau, worin
die sich einander gegenüberliegenden Elektroden 18 und 19 an den
inneren Oberflächen der verbindenden Durchflußwege 14 angeordnet
sind und das elektroviskose Fluid zur Erzeugung des Winslow-Effektes
innerhalb des Dämpfergehäuses 11 vorgesehen ist, erlaubt die Erzeugung
eines elektrischen Feldes, welches quer zur Flußrichtung des Fluids von
Kammer 13A zu Kammer 13B gerichtet ist oder vice versa, so daß die
Viskosität des zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden 18 und
19 befindlichen, elektroviskosen Fluids geändert werden kann. Diese
Änderung der Viskosität des durch den verbindenden Durchflußweg 14
fließenden Fluids erlaubt es, den Drosselwiderstand des Fluids in dem
verbindenden Durchflußweg 14 zu regeln und gestattet so die Regelung
des Dämpfungsverhältnisses ξ des Dämpfers.
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Wie anhand Fig. 1 gezeigt, ist die Radaufhängungsvorrichtung
erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung 21 zur Ermittlung der an jeder
Radaufhängungsvorrichtung 1 erzeugten Schwingung vorgesehen, sowie
mit einem Regelkreis 22, wie z.B. einem Mikrocomputer 22. Der
Regelkreis 22 enthält eine Input-Output-Einheit 23, CPU 24, ROM 25 und
RAM 26.
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Die Arbeitsweise der Radaufhängungsvorrichtung wird nun beschrieben.
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Die Schwingungsmeßvorrichtung 21, die Schwingungen an jeder der
Radaufhängungen 1 ermittelt, besteht aus einem ersten Sensor zur
Erzeugung der Beschleunigungsrate oder Geschwindigkeit oder Auslenkung
eines jeden der Räder in vertikaler Richtung Z (Fig. 2), einem zweiten
Sensor zur Ermittlung der Beschleunigungsrate oder Geschwindigkeit
oder Auslenkung eines jeden der Räder in Querrichtung X relativ zur
Bewegungsrichtung des Fahrzeugs und einem dritten Sensor zur
Ermittlung der Beschleunigungsrate oder Geschwindigkeit oder Auslenkung
eines jeden der Räder in eine Richtung Y parallel zur
Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Im Falle, daß die Fahrzeugräder auf eine
stufenartige Stelle G der Straßenoberfläche treffen, wie in Fig. 5 gezeigt,
ermittelt die Schwingungsmeßvorrichtung 21 die Schwingung, und eine
Beschleunigung, wie in Fig. 6 gezeigt, kann mit einem Zeitverzug
bewirkt werden.
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In einem Beispiel ist der Regelkreis 22 mit vorbestimmten Sollwerten
des Dämpfungsfaktors c des Dämpfers 5 versehen, wie in Fig. 6 und 7
gezeigt, die erforderlich sind, um ein Dämpfungsverhältnis ξ des
Stoßdämpfers 1 zur Regelung der Fahrzeugschwingung zu erreichen. Wie in
Fig. 6 gezeigt, besitzt der Dämpfungsfaktor c des Dämpfers 5 eines
jeden Stoßdämpfers 1 (a) ein niedriges Niveau (SOFT), bevor eine
Unebenheit der Straßenoberfläche auftritt, (b) ein hohes Niveau (HARD)
für eine Sekunde nachdem die Beschleunigungsrate das erstemal einen
Spitzenwert erreicht hat und (c) ein mittleres Niveau (MEDIUM) nach
der Periode (b). Desweiteren, wie in Fig. 7 gezeigt, sind verschiedene
Werte für jedes der niedrigen, mittleren und hohen Niveaus des
Dämpfungsfaktors c für die Vorderräder und Hinterräder eingestellt.
Außerdem sind verschiedene Werte für jedes der niedrigen, mittleren
und hohen Niveaus des Dämpfungsfaktors c für den Zustand eingestellt,
in dem sich das Rad aufwärts bewegt, und für den Zustand, in dem sich
das Rad abwärts bewegt. Fig. 7 zeigt beispielhaft einen
Dämpfungsfaktor c, der während der Aufwärtsbewegung des Vorderrades einen
Wert von 150 (kg x s : m) entsprechend einem Dämpfungsfaktor
niedrigen (SOFT) Niveaus, einen Wert von 250 (kg x s : m) entsprechend
einem Dämpfungsfaktors mittleren (MEDIUM) Niveaus und einen Wert
von 450 (kg x s : m) entsprechend einem Dämpfungsfaktor hohen
(HARD) Niveaus. Der Dämpfungsfaktor c hat während der
Abwärtsbewegung des Vorderrades einen Wert von 75 (kg x s : m) entsprechend
einem Dämpfungsfaktor niedrigen (SOFT) Niveaus, einen Wert von 125
(kg x s : m) entsprechend einem Dämpfungsfaktor mittleren (MEDIUM)
Niveaus und einen Wert von 225 (kg x s : m) entsprechend einem
Dämpfungsfaktor hohen (HARD) Niveaus.
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Der Regelkreis 22 erhält ein Signal von der Schwingungsmeßvorrichtung
21, berechnet für jeden der Dämpfer 5 einen Wert des
Dämpfungsfaktors c, der der Schwingung an jedem der Räder 2 entspricht, die
wiederum dem Grat der Beschleunigung α entspricht, und berechnet den
Wert der elektrischen Spannung V, die an den Elektroden 18 und 19
angelegt werden muß, um den berechneten Dämpfungsfaktor c zu
erzeugen. Der Regelkreis 22 gibt dann ein Signal auf einem berechneten,
elektrischen Spannungsniveau V an die elektrische
Spannungsversorgungsvorrichtung 20 ab, und die Vorrichtung 20 legt diese Spannung V
an die Elektroden 18 und 19 des Dämpfers 5 an, um einen Wert des
Dämpfungsfaktors c zu erreichen, d.h. eine Dämpfungsrate, die dem
Schwingungszustand (ω) an jedem der Räder 2 angepaßt ist.
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Ein weiteres Beispiel der Sollwertvorgabe des Dämpfers 5 gemäß der
vorliegenden Erfindung wird anhand der Fig. 8 (a) bis (d) erläutert, die
das Ergebnis einer Simulation zeigen, wenn eine stufenartige
Auslenkung w auf die erfindungsgemäße Radaufhängung aufgebracht wird. Zu
Beginn der stufenweisen Auslenkung wird eine Beschleunigung, wie in
Fig. 8 (c) gezeigt, von dem Beschleunigungssensor, wie z.B. dem
Sensor 21 in Fig. 1, ermittelt, und der Dämpfungsfaktor des Dämpfers 5
des Rades wird, wie in Fig. 8 (c) gezeigt, geregelt. Der mit g
bezeichnete Teil der Fig. 8(c) und 8(d) ist in einem größeren Maßstab in den
Fig. 9(a) bzw. 9(b) dargestellt.
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Die Grundzüge der Dämpfungsfaktorregelung sind in einem
Flußdiagramm in Fig. 10 dargestellt. Im Schritt 200 wird eine
Beschleunigungsrate α ermittelt, und im Schritt 202 wird bestimmt, ob die
Beschleunigungsrate α, wie gemessen, höher als ein Schwellenwert ist.
Wenn festgestellt wird, daß die gemessene Beschleunigungsrate α höher
ist als der Schwellenwert, geht die Routine weiter zu Schritt 204 und es
wird untersucht, ob ein Kennzeichen F gesetzt ist. Wenn festgestellt
wird, daß das Kennzeichen F nicht gesetzt ist, geht die Routine zu
Schritt 206 und das Kennzeichen F wird gesetzt. Im Schritt 208 wird
dann eine Übergangszustandsregelung des Dämpfungsfaktors ausgeführt.
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Wenn festgestellt wird, daß das Kennzeichen F = 1 entspricht, geht die
Routine zu Schritt 210, falls eine vorbestimmte Zeit seit Beginn der
Übergangsregelung des Dämpfungsfaktors verstrichen ist. Wenn
festgestellt wird, daß die vorbestimmte Zeit nicht verstrichen ist, kehrt die
Routine zurück zu Schritt 206. Wenn festgestellt wird, daß die
vorbestimmte Zeit verstrichen ist, geht die Routine zu Schritt 212, löscht das
Kennzeichen F und geht dann zu Schritt 220, um die Regelung des
Dämpfungsfaktors für eine gleichförmige Zustandsbedingung
auszuführen.
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Fig. 9(a) und (b) stellen ein Beispiel der Regelung des
Dämpfungsfaktors während des Übergangszustands dar. Der Dämpfungsfaktor wird
so geregelt, daß ein positiver Wert der Beschleunigungsrate α dem
Dämpfungsfaktor einen Kompressionsbeiwert liefert und ein negativer
Wert der Beschleunigungsrate α dem Dämpfungsfaktor einen
Expansionsbeiwert liefert. Wenn der Wert der Beschleunigungsrate α von Null
zu einem Extremwert wechselt, wie in Fig. 9(a) anhand der Linien 1&sub1;,
1&sub2;, 1&sub3; und 1&sub4; dargestellt, wird der Wert des Dämpfungsfaktors, wie
anhand der Linien m&sub1;, m&sub2;, m&sub3; und m&sub4; in Fig. 9(b) gezeigt, gesenkt.
Umgekehrt, wenn sich der Wert der Beschleunigungsrate α von einem
Extremwert auf Null verändert, wie anhand der Linien 1&sub6;, 1&sub7;, 1&sub8; und 1&sub9;
in Fig. 9(a) gezeigt, wird der Wert des Dämpfungsfaktors erhöht, wie
anhand der Linien m&sub6;, m&sub7;, m&sub8; und m&sub9; in Fig. 9(b) gezeigt. Man beachte,
je mehr Zeit verstrichen ist, desto höher der Wert des
Dämpfungsfaktors.
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Die Regelung des gleichförmigen Zustands im Schritt 220 ist dargestellt
in Fig. 10, nachdem eine Anfangszeit δ (Fig. 8(d)) verstrichen ist. In
diesem Bereich wird der Dämpfungsfaktor zwischen dem HARD-Wert
an der Ausdehnungsseite und an der Kompressionsseite entsprechend der
Geschwindigkeit geändert.
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Diese Regelung des Dämpfungsfaktors, bei der im Anfangsstadium der
Dämpfungsfaktor entsprechend der Beschleunigungsrate α geregelt wird
und in einem späteren Stadium der Dämpfungsfaktor auf einen hohen
oder HARD-Wert festgesetzt wird, erlaubt es, die Auslenkung,
Geschwindigkeit und Beschleunigung schnell zu reduzieren, wobei im
Anfangsstadium eine weiche Stoßdämpfung erhalten wird und die
Geschwindigkeit der Dämpfungsreaktion erhöht wird.