DE69838994T3

DE69838994T3 - Elektronisches Aufhängungssystem für ein Radfahrzeug

Info

Publication number: DE69838994T3
Application number: DE69838994T
Authority: DE
Inventors: Joseph A. Franklin
Original assignee: Cannondale Corp
Current assignee: Cannondale Corp
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: AR012075A1; EP1813451A2; EP1813451A3; TW363028B; EP1813451B1; EP0966385B1; DE69838994D1; US5971116A; EP1541892A2; DE69838994T2; EP1541892B1; JP2001524903A; EP1541892B2; AU6549998A; EP0966385A4; DE69837988T2; WO1998040231A2; DE69837988D1; US6073736A; EP0966385A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft generell Radaufhängungen, genauer gesagt Radaufhängungen mit einer motorisierten Dämpfungssteuerung an Fahrzeugen, wie Fahrrädern.
Hintergrund der Erfindung
Aufhängungssysteme für Fahrzeuge verbessern die Handhabung und die Steuerung des Fahrzeuges, indem sie Energie absorbieren, die auf ein unebenes Terrain aufgrund von Erhebungen, Vertiefungen, Hindernissen und anderen derartigen Merkmalen zurückzuführen ist. Es sind verschiedene Formen von hydraulischen Aufhängungssystemen entwickelt worden, um den Handhabungs- und Steuerungsanforderungen des Fahrers gerecht zu werden. Diese Systeme bestehen typischerweise aus einer Anordnung von zwei Teleskoprohren, zwei Kammern zum Halten eines viskosen Strömungsmittels, Dichtungen zum Halten des viskosen Strömungsmittels innerhalb der Kammern, einer Dämpfereinheit, die die beiden Kammern voneinander trennt, und einem Dämpferventil, das den Strom des Strömungsmittels von der einen Kammer zur anderen Kammer reguliert.
Bei einer typischen Anordnung ist ein Außenrohr an der Dämpfereinheit an einem Punkt auf dem oberen Abschnitt des Fahrzeuges befestigt und über ein unteres Innenrohr gelagert, das an einem Punkt am unteren Abschnitt des Fahrzeuges gelagert ist. Die Rohre sind so angeordnet dass sie relativ zueinander in Axialrichtung teleskopartig gleiten können. Sie umgeben zwei Kammern, die ein viskoses Strömungsmittel halten. Eine Dichtung umgibt den oberen Abschnitt des unteren Rohres, um das Strömungsmittel innerhalb der Kammer zu halten.
Wenn das Fahrzeug eine Erhebung passiert, gleitet das Außenrohr teleskopartig in Richtung auf das Innenrohr. Das viskose Strömungsmittel strömt von der unteren Kammer durch das Dämpferventil zur oberen Kammer, so dass das Außenrohr und die Dämpfereinheit in Richtung auf das Innenrohr gleiten können. Während der nachfolgenden Expansionsphase gleitet das Außenrohr in Axialrichtung teleskopartig vom Innenrohr weg. In der Expansionsphase strömt das viskose Strömungsmittel in entgegengesetzter Richtung durch das Dämpferventil, so dass sich das Außenrohr vom Innenrohr weg bewegen kann.
Hydraulische Aufhängungssysteme besitzen ein typisches Dämpfungsverhalten. Wenn eine kleine Eingangsdruckkraft langsam und kontinuierlich auf das System aufgebracht wird, strömt das viskose Strömungsmittel durch die Dämpferöffnung und bewegen sich das Außenrohr und Innenrohr in Axialrichtung relativ zueinander. Wenn im Gegensatz dazu eine große Eingangsdruckkraft plötzlich auf das System einwirkt, ist das viskose Strömungsmittel nicht in der Lage, schnell genug durch die Öffnung zu strömen, um eine rasche Relativbewegung der beiden Rohre zu ermöglichen. Daher besitzen hydraulische Aufhängungssysteme einen größeren Widerstand gegenüber großen plötzlichen Kräften als gegenüber kleinen langsamen Kräften.
Während hydraulische Aufhängungssysteme typischerweise das vorstehend beschriebene Dämpfungsverhalten besitzen, ist das tatsächliche Dämpfungsverhalten eines speziellen Aufhängungssystems von den physikalischen Eigenschaften dieses Systems abhängig. Die Größe des Widerstandes, die vom hydraulischen Aufhängungssystem aufgebracht wird, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der das viskose Strömungsmittel durch das Dämpferventil von der unteren Kammer zur oberen Kammer strömen kann. Ein Aufhängungssystem besitzt einen geringeren Widerstand oder eine geringere Steifigkeit in Abhängigkeit von einer Stoßbelastung, wenn das viskose Strömungsmittel einfacher durch das Dämpferventil strömen kann. Somit weist ein hydraulisches Aufhängungssystem mit einer größeren Öffnung zwischen den beiden Kammern einen geringeren Widerstand auf als ein anderes System, das eine kleinere Öffnung besitzt.
Im Stand der Technik gibt es Beispiele von hydraulischen Aufhängungssystemen mit Teleskoprohren, die zusätzliche Merkmale aufweisen, welche das System in die Lage versetzen, das Dämpfungsverhalten der Vorrichtung in einem begrenzten Ausmaß zu modifizieren. Wie in der US-PS 4 971 344 beschrieben, kann das Aufhängungssystem so ausgebildet sein, dass es einen größeren Widerstand gegenüber niedrigen Eingangskräften, die von der Pedalkraft des Fahrers erzeugt werden können, und einen geringeren Widerstand gegenüber hohen Eingangskräften, die auf einen großen Stoß zurückzuführen sind, bietet. Bei dieser Anordnung wird die Dämpferöffnung mit einer plattenförmigen Beilage blockiert, bis der Strömungsmitteldruck in der unteren Kammer größer wird als der von einer Feder erzeugte Widerstand, der die Platte über der Öffnung hält. Dieses Schema setzt das Aufhängungssystem in die Lage, mit Stoßbelastungen verbundene Energie zu absorbieren und zu verhindern, dass das System Energie absorbiert, die auf eine Pedalbewegung zurückzuführen ist.
Wie aus dieser Erörterung deutlich wird, besitzen die hydraulischen Aufhängungssysteme des Standes der Technik zwei Hauptbeschränkungen. Als erstes besitzen sie nur eine begrenzte statische Kontrolle über das Dämpfungsverhalten. Beispielsweise weisen hydraulische Aufhängungssysteme des Standes der Technik einen geringeren Widerstand über ihren Betriebsbereich auf, indem sie eine größere Öffnung zwischen den beiden Kammern benutzen. In entsprechender Weise besitzt das Aufhängungssystem der US-PS 4 971 344 einen abgestuften Widerstand mit einem Widerstandsniveau, wenn die Eingangskraft niedriger ist als ein bestimmter Schwellenwert, und mit einem zweiten höheren Widerstandsniveau, wenn die Eingangskraft den Schwellenwert übersteigt. Als zweites bieten die Systeme des Standes der Technik dem Fahrer nur eine begrenzte Möglichkeit, das Dämpfungsverhalten des Aufhängungssystems in Anpassung an die Wünsche des Fahrers zu verändern. Beispielsweise kann der Fahrer des Aufhängungssystems der vorstehend genannten Veröffentlichung den Gasdruck in der oberen Kammer einstellen, um den Widerstand zu verändern.
Die US-PS 5 123 671 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern von Stoßdämpfern in Kraftfahrzeugen. Die Vorrichtung besitzt einen Stoßdämpfer mit einem Druckzylinder, der eine Arbeitskammer mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt bildet. Ein erster Sensor wird benutzt, um ein elektrisches Signal in Abhängigkeit davon zu erzeugen, ob der Stoßdämpfer einen Kompressionshub oder einen Rückhub durchführt. Ein zweiter Sensor dient zum Ermitteln der Bewegung der Karosserie des Kraftfahrzeuges. Ein elektronischer Steuermodul dient zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Sensors. Ein Solenoid dient zum Regulieren des Durchflusses des Dämpfungsströmungsmittels zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Arbeitskammer. Eine Kolbeneinheit, die im Druckzylinder angeordnet ist, definiert den ersten und zweiten Abschnitt der Arbeitskammer.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektronisches Dämpfungssystem wie es in Anspruch 1 beansprucht wird zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren wie es in Anspruch 9 beansprucht wird zur Verfügung gestellt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein an einem Fahrrad installiertes aktives Aufhängungssystem,
2 ist eine Schnittansicht des Dämpfers,
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Dämpfers und Sensors
4 ist ein Funktionsdiagramm des aktiven Aufhängungssystems, das die Beziehung zwischen dessen Komponenten zeigt,
5 ist eine Außenansicht des Dämpferreglers,
6 ist ein Funktionsdiagramm des Dämpferreglers, die
7a–7d zeigen graphische Darstellungen der Regelkarten,
8 ist ein Ablaufdiagramm, das die Initialisierung des Dämpferreglers zeigt,
9 ist ein Ablaufdiagramm, das die Gesamtfunktion des Dämpferreglers zeigt,
10 ist ein Ablaufdiagramm, das die Berechnung der relativen Geschwindigkeit des Innenrohres und Außenrohres des Dämpfers durch den Dämpferregler zeigt,
11 ist ein Ablaufdiagramm, das die Funktionsweise des Dämpferreglers im Schlafmodus zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt das aktive Aufhängungssystem 100, das die vorliegende Erfindung verkörpert und an einem Fahrrad installiert ist. Das aktive Aufhängungssystem umfasst ein erstes Element in der Form eines Außenrohres 120, das über einen oberen Arm 110 und einen unteren Arm 150 an einem Fahrradlenkrohr (nicht gezeigt) befestigt ist. Ein zweites Element in der Form eines Innenrohres 130 ist teleskopartig relativ zum Außenrohr 120 angeordnet. Das untere Ende des Innenrohres 130 ist mit einer einheitlichen Vordergabel 140 verbunden, die zur Befestigung eines Vorderrades 180 am Fahrradlenkrohr dient. Wie nachfolgend erläutert, ist ein Dämpfer in der Rohreinheit 120, 130 montiert. Ein Dämpfungsregler 160, der das Dämpfungsverhalten des Dämpfers regelt, ist mit dem Fahrradrahmen 170 verbunden.
Eine Stromquelle, vorzugsweise eine Batteriepackung 165, ist am Fahrradrahmen 170 montiert. Sie liefert elektrischen Strom für den Dämpfer und ist über Leitungen mit dem Dämpfungsregler 160 verbunden. Alternativ dazu kann die Batteriepackung in der Dämpfungsreglereinheit angeordnet sein, wie nachfolgend erläutert. Auch kann die Batterie direkt mit einem Motor verbunden sein, der im Außenrohr 120 untergebracht ist. In diesem Fall stellt ein logisches Regelsignal vom Dämpfungsregler den Motor an und ab. Anstelle einer Batterie kann die Stromquelle durch die Antriebskraft des Fahrrades selbst mit Hilfe eines kleinen Generators verwirklicht werden, welcher von einem Fahrradrad oder beiden Fahrradrädern angetrieben wird.
2 zeigt eine Schnittansicht der aktiven Aufhängungseinheit 100. Die Einheit besitzt eine Längsachse A, entlang der sich viele ihrer Komponenten bewegen. Sie umfasst ein Außenrohr 120, das mittels einer Manschette 213 an einer Dämpfereinheit 210 befestigt ist.
Das Außenrohr 120 ist koaxial zu einem Innenrohr 130 ausgerichtet. Beide Rohre sind so angeordnet, dass sie sich teleskopartig entlang der Längsachse A bewegen. Sowohl das Innenrohr als auch das Außenrohr sind im wesentlichen Hohlzylinder, die vorzugsweise aus Aluminium oder einem anderen nichtkorrosiven Metall geformt sind. Der Raum 125 zwischen dem Innenrohr und Außenrohr ist typischerweise mit Luft gefüllt. Ein beispielhafter Außendurchmesser des Innenrohres beträgt 28,58 mm, (1,125 Zoll), und eine beispielhafte Länge des Innenrohres 130 beträgt 20,75 cm (8,17 Zoll). Das Außenrohr 120 besitzt ein hohles Rohr zur Montage in den Armen 110 und 150. Ein beispielhafter Außendurchmesser des Außenrohres 120 beträgt 38 mm (1,5 Zoll), und eine beispielhafte Länge des Außenrohres 120 beträgt 195 mm (7,66 Zoll).
Wie in 2 gezeigt, besitzt der Dämpfer 210 einen oberen Kolbenschaft 230 und einen Kolbenverbindungsschaft 240. Ein unterer Abschnitt 242 des Kolbenverbindungsschaftes steht mit einer zusätzlichen Dämpfungseinrichtung, wie mechanischen Luftdämpfern, in Eingriff, deren Aufbau dem Fachmann bekannt ist. Der Dämpfer besitzt eine obere Kammer 216 und eine untere Kammer 217, die beide eine viskose Flüssigkeit, beispielsweise ein SAE 5 Öl, aufnehmen. Eine zwischen dem Innenrohr 120 und einem obersten Abschnitt des oberen Kolbenschaftes ausgebildete Dichtung 215 begrenzt die viskose Flüssigkeit in der oberen Kammer 216. Die beiden Kammern 216, 217 sind durch einen O-Ring 223 getrennt, der einen Flansch 224 besitzt, welcher einstückig auf einem Umfangsabschnitt des Kolbenverbindungsschaftes 240 ausgebildet ist. Der O-Ring verhindert eine Ölleckage zwischen der oberen und unteren Kammer.
Die Dämpfereinheit 210 besitzt ferner einen Motor 221, der von einer Vorspannunterstützungsfeder 250 unter Vorspannung gesetzt ist. Der Motor 221 ist mit einer beweglichen Motorwelle 312 versehen, die sich entlang der Längsachse A bewegt. Die Motorwelle 312 steht so mit anderen Komponenten in Wirkeingriff, dass sie ein Dämpferventil 218 regelt, das wiederum den Durchfluss der viskosen Flüssigkeit zwischen den beiden Kammern 216, 217 regelt. Der Motor 221 wird vom Dämpfungsregler 160 wahlweise über eine Regelleitung 219 aktiviert. Wie nachfolgend weiter beschrieben, schaltet der Dämpfungsregler 160 den Motor 221 wahlweise ein und aus, so dass die Motorwelle 312 in einer vorgegebenen Richtung auf der Basis der Polarität des Signals vom Dämpfungsregler 160 angetrieben wird. Die Größe und/oder Dauer dieses Signals regelt die Drehzahl des Motors und die Länge der Bewegung.
Ein optischer Sensor 201, der am Außenrohr 120 montiert ist, und ein lichtreflektierender Codestreifen 222, der auf einer Außenfläche des Innenrohres montiert ist, detektieren die Relativbewegung zwischen dem Innenrohr 130 und dem Außenrohr 120. Elektrische Verbindungen 223 zwischen dem Sensor 201 und dem Dämpfungsregler 160 versorgen den Sensor 201 mit elektrischer Energie und ermöglichen die Abgabe eines Sensorsignals an den Dämpfungsregler 160. Auf diese Weise liefert der Sensor 201 kontinuierlich Positionsinformationen an den Dämpfungsregler 160.
Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Sensor 201 um eine Codiervorrichtung mit einer reflektierenden optischen Fläche, die von der Firma Hewlett Packard (Part #s HCTL-2020 und HEDR-8000) erhältlich ist. Das integrierte HCTL-2020- und HEDR-8000-Schaltungspaar illuminiert den Codestreifen 222 mit einer einzigen lichtemittierenden Diode (LED). Der Codestreifen 222 enthält reflektierende Markierungen, die einen vorgegebenen Abstand besitzen. Diese integrierte Schaltung besitzt einen Codierungsauflösungsbereich von 2,76 Linien/mm bis 2,95 Linien/mm.
Der Sensor 201 besitzt eine integrierte Photodetektorschaltung, die das reflektierte Lichtmuster empfängt und zwei Wellenformen abgibt. Eine erste abgegebene Wellenform liefert einen Impuls für jede detektierte reflektierende Markierung. Durch das Zählen der Anzahl der Impulse in Bezug auf einen Anfangswert werden Positionsinformationen über den Sensor relativ zum Codestreifen 222 erhalten. Eine zweite abgegebene Wellenform codiert die Bewegungsrichtung des Sensors 201 in Bezug auf den Codestreifen 222. Da der Sensor 201 am Außenrohr 120 befestigt ist, während der Codestreifen 222 am Innenrohr 130 befestigt ist, liefert die zweite abgegebene Wellenform Informationen in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Außenrohres 120 relativ zum Innenrohr 130.
3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Dämpferventils 218. Das Dämpferventil 218 umfasst einen Primärpfad für den Öldurchfluss zwischen den Kammern 216, 217 und einen Hilfspfad, der in Verbindung mit dem Primärpfad wirkt. Der Primärpfad wird über einen im Wesentlichen zylindrischen Ventilschieber 310 erleichtert, der unter dem Motor 221 angeordnet ist. Die bewegliche Motorwelle 312 ist mit dem Ventilschieber 310 verbunden und bewegt diesen entlang der Längsachse, wenn sie vom Dämpfungsregler 160 betätigt wird. Der Hilfspfad wird über einen Feedback-Kolben 313 erleichtert, der im Hohlraum des Ventilschiebers 310 angeordnet ist. Beide Pfade können benutzt werden, wenn das Aufhängungssystem auf eine Erhebung trifft.
Es wird nunmehr der Primärpfad beschrieben. Das Schieberventil 310 ist mit einem Paar von geschlitzten Umfangsöffnungen 311a, 311b versehen. In entsprechender Weise weist der Kolbenverbindungsschaft 240 ein Paar von beabstandeten Nuten 323, 324 auf, die entlang eines Umfanges derselben ausgebildet sind. Eine Nut 323 ist über dem Flansch 223 angeordnet, während die andere Nut 324 unter dem Flansch angeordnet ist. Die Nuten 323, 324 stehen mit Kammern 216, 217 über entsprechende Radialkanäle 325, 326 in Verbindung. Wenn das Fahrzeug auf eine Erhebung trifft, dringt Öl in der Kammer 217 in den Kanal 326 ein, fließt durch die Nut 324 und ihre entsprechende Öffnung 311b und strömt dann durch die andere Öffnung 311a durch die Nut 323 und aus dem Radialkanal 325 heraus.
Somit bilden die Schlitzöffnungen 311a, 311b des Schieberventils 310 und die Nuten 323, 325 des Kolbenverbindungsschaftes 240 einen Primärpfad zum Fördern des viskosen Strömungsmittels zwischen den beiden Kammern 217, 216. Die viskose Flüssigkeit fließt von der unteren Kammer 216 zur oberen Kammer 217 während der Kompression des Dämpfers 210, d. h. des „Abwärtshubes”. Die Flüssigkeit fließt in der entgegengesetzten Richtung während der Expansion des Dämpfers nach einem Aufprall, d. h. während des „Aufwärtshubes”.
Der Motor 221 regelt das Dämpfungsverhalten des Dämpfers 210 durch Bewegung des Schieberventils 310 in Bezug auf den Kolbenverbindungsschaft 240 zur Einstellung der Ausrichtung zwischen den Schlitzöffnungen 311a, 311b des Schieberventils 310 und der entsprechenden Nuten 323, 325 des Kolbenverbindungsschaftes 320. Wenn die Öffnungen und die Nuten eine sehr kleine Überlappung besitzen, d. h. fehlausgerichtet sind, resultiert eine große Dämpfungskraft. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Öl oder die andere viskose Flüssigkeit Turbulenzen erfährt, während sie eine Öffnung mit einem kleinen Querschnitt passiert, wenn sie sich von einer Kammer 216, 217 zur anderen Kammer 217, 216 bewegt. Wenn im Gegensatz dazu die Öffnungen und die Nuten eine große Überlappung besitzen, d. h. ausgerichtet sind, resultiert eine kleine Dämpfungskraft, da die Öffnung einen großen Querschnitt besitzt.
Die vorstehend erwähnte Unterstützungsfeder, die über dem Motor 221 angeordnet ist, wie in 2 gezeigt, stellt die Standardposition des Schieberventils 310 relativ zum Kolbenverbindungsschaft 240 ein, wenn vom Motor 221 keine Kraft aufgebracht wird. Wenn daher vom Motor keine Kraft aufgebracht wird oder die Kraftaufbringung unterbrochen ist, legt die Unterstützungsfeder 250 die Position des Schieberventils 210 fest und regelt auf diese Weise das Dämpfungsverhalten des Dämpfers 210. Diese Anordnung ist gegenüber einer Dämpfungskraft von Null überlegen, die ohne die Unterstützungsfeder 250 vorhanden wäre, wenn die Stromzufuhr zum Motor 221 unterbrochen wird. Die von der Unterstützungsfeder 250 aufgebrachte Kraft sollte so eingestellt sein, dass die Standardposition des Schieberventils 310 an einem Mittelpunkt eines Positionsbereiches, der vom Schieberventil 310 während des Betriebes des Fahrzeuges durchlaufen wird, eingestellt wird. Diese Kraftauswahl führt zu einem geringeren Stromverbrauch und zu einer größeren Batterielebensdauer, da die Bewegung der Motorwelle 312 während des Betriebes des Fahrrades minimiert wird.
Als Nächstes wird der Hilfspfad erläutert. Der Hilfspfad umfasst ein Dualrückschlagventil 360 mit einer oberen Rückschlagkugel 362, einer Dualrückschlagfeder 361 und einer unteren Rückschlagkugel 363. Die Dualrückschlagfeder 361 drückt die obere Rückschlagkugel 362 gegen die Öffnung eines oberen Rückschlagkanals 364, der mit der Kammer 216 in Verbindung steht. Die Dualrückschlagfeder 361 drückt ferner die untere Rückschlagkugel 363 gegen eine entsprechende Öffnung eines unteren Rückschlagkanals 365, der mit der Kammer 217 in Verbindung steht.
Wenn der Strömungsmitteldruck in der unteren Kammer 217 während der Kompression groß genug wird, um die von der Dualrückschlagfeder 361 auf die untere Rückschlagkugel 363 ausgeübte Kraft zu überwinden, bewegt sich die untere Rückschlagkugel 363 in Richtung auf die obere Rückschlagkugel 362, so dass auf diese Weise das viskose Strömungsmittel durch den unteren Rückschlagkanal 365 in den Hilfskanal 370 strömen kann, indem es Druck auf den Feedback-Kolben 313 ausübt. Wenn in entsprechender Weise der Strömungsmitteldruck in der oberen Kammer 216 während der Expansion groß genug wird, um die von der Dualrückschlagfeder 361 auf die obere Rückschlagkugel 362 ausgeübte Kraft zu überwinden, bewegt sich die obere Rückschlagkugel 362 in Richtung auf die untere Rückschlagkugel 363, so dass auf diese Weise das viskose Strömungsmittel durch den oberen Rückschlagkanal 364 strömen und sich entlang dem Hilfskanal 370 bewegen kann, wodurch wiederum Druck auf den Feedback-Kolben 313 ausgeübt wird.
Das Dualrückschlagventil 360 dient zwei Zwecken. Wenn der auf den Feedback-Kolben 313 aufgebrachte Druck größer ist als der von der Kraft der Dualrückschlagfeder 361 definierte Schwellenwert, spannt das Dualrückschlagventil 360 den Dämpfer 210 vor. Speziell wird die zur Bewegung des Schieberventils 310 erforderliche Kraft durch die Größe des vom viskosen Strömungsmittel auf den Feedback-Kolben 313 ausgeübten Drucks beeinflusst. Wenn der Motor 221 das Schieberventil 310 nach unten drückt, muss er eine ausreichend große Kraft aufbringen, um den vom viskosen Strömungsmittel auf den Feedback-Kolben 313 ausgeübten Druck zu überwinden. wenn umgekehrt der Motor 221 das Schieberventil 310 nach oben zieht, wird er durch den vom viskosen Strömungsmittel auf den Feedback-Kolben 313 ausgeübten Druck unterstützt.
Zusätzlich zum Vorspannen des Dämpferventils 218 setzt das Dualrückschlagventil 360 den Dämpfer 210 in die Lage, rasch auf plötzliche Stoßbelastungen anzusprechen, die durch steile Erhebungen entstehen können, ohne auf den Motor 221 zu warten, damit dieser die Position des Schieberventils 310 verändert. Durch einen ausreichend großen Druck, der vom viskosen Strömungsmittel auf den Feedback-Kolben 313 ausgeübt wird, wird das Schieberventil 310 so bewegt, dass viskoses Strömungsmittel von der unteren Kammer 217 zur oberen Kammer 216 strömen kann und den durch die Erhebung verursachten Aufprall dämpfen kann. Im Gegensatz dazu ist der aus der normalen Pedalbewegung des Fahrers resultierende Druck nicht groß genug, um die von der Dualrückschlagfeder 361 aufgebrachte Kraft zu überwinden. Daher setzt das Dualrückschlagventil 360 den Dämpfer 210 in die Lage, auf große Erhebungen im Terrain anzusprechen, ohne die aus der Pedalbewegung des Fahrers resultierende Energie zu absorbieren.
Bei der bevorzugten Ausführungsform besitzt das Dämpferventil 218 einen Gehäusedurchmesser von 1,3 cm (0,5 Zoll) und eine Gehäuselänge von 7,62 cm (3,0 Zoll).
Die Gesamteinheit arbeitet bei einer maximalen Umgebungstemperatur von 54°C (139°F) und verbraucht weniger als 1,0 W bei Spannungen von 3,0 V bis 12,0 V. Andere Betriebsparameter umfassen eine minimale Betriebsfrequenz von zwischen 300–500 Hz, einen maximalen Durchsatz von 2,5 × 10^–5 m²/s (0,4 GPM) bei 6.895 KPa (1.000 psi), eine maximale Leckage von 1,3 × 10^–5 m³/s (0,02 GPM) bei 6.895 kPa (1.000 psi) und einen minimalen Entspannungsdruck von 3.448 kPa (500 psi).
Die Konstruktion des aktiven Aufhängungssystems ermöglicht die Verwendung eines Motors 221 mit geringem Gewicht zum Regeln des Dämpferventils 218. Bei der bevorzugen Ausführungsform handelt es sich bei dem Motor 221 um einen nichtkommutierten Gleichstromlinearmotor (NCDCLM) mit sich bewegender Spule, der von der Firma Normag erhältlich ist. Der NCDCLM-Motor besteht aus einer hohlen zylindrischen Spule, die sich in einem Luftspalt bewegt, der von konzentrischen kreisförmigen Polstücken gebildet wird. Die Pole werden durch Seltenerd-Permanentmagneten radial magnetisiert. Durch das Anlegen einer Gleichspannung mit einer ersten Polarität wird die Spule mit einer konstanten Kraft herausbewegt. Durch Reversieren der Polarität wird die Spule zurückgezogen. Der NCDCLM-Motor erzeugt eine konstante und reversible Kraft über den gesamten Hub und ist ideal geeignet für einen Kurzhubbetrieb (0,25 mm bis 127 mm) (0,01 Zoll bis 5 Zoll). Er besitzt eine sehr kurze Ansprechzeit infolge einer niedrigen (« 1 msec) elektrischen Zeitkonstanten, hat ein leichteres sich bewegendes Element, das größere Beschleunigungen ermöglicht, und ist kompakt mit einem Außendurchmesser von 12,7 mm (0,5 Zoll).
4 zeigt eine Betriebsübersicht des vorgeschlagenen Gesamtsystems. Speziell zeigt diese Figur die Hauptkomponenten des aktiven Aufhängungssystems und die zwischen diesen Komponenten übermittelten Daten. Wie in 4 gezeigt, besitzt das Gesamtsystem eine auf einem Fahrrad basierende Komponente 402 und eine auf einem externen Personalcomputer basierende Komponente, d. h. eine PC-basierte Komponente 404.
Die auf dem Fahrrad basierende Komponente 402 umfasst die vorstehend beschriebene Dämpfereinheit 210 sowie einen nachfolgend beschriebenen Dämpfungsregler 160. Sie besitzt ferner eine Operatorschnittstelle 162, die mit dem Regler assoziiert ist, sowie die vorstehend erwähnte Stromquelle 165. Die Dämpfereinheit 210 tastet Terraininformationen ab, indem sie auf die Energie reagiert, welche durch Stöße beim Fahren auf einem Terrain eingegeben wird. Diese Informationen werden dem Dämpfungsregler 160 in der Form von Informationen über die Position des Innenrohres 130 relativ zum Außenrohr 120 und die Bewegungsrichtung des einen Rohres relativ zum anderen zugeführt. Diese Positionsinformationen werden dann dem Dämpfungsregler 160 zugeleitet.
Der Dämpfungsregler 160 berechnet die Geschwindigkeit des Innenrohres 130 relativ zum Außenrohr 120, um die Größe der Erhebung zu ermitteln. Die berechneten Geschwindigkeits- und Positionsinformationen werden in Verbindung mit vom Benutzer ausgewählten Regelkarten dazu verwendet, eine geeignete Größe einer Kraft zu berechnen, die in Ansprache auf den Stoß bzw. die Erhebung aufzubringen ist. Das Kraftniveau wird vom Dämpfungsregler 160 eingestellt, indem Regelsignale dem Motor 221 zugeführt werden, der die Position des Schieberventils 310 relativ zu den Nuten des Kolbenverbindungsschaftes einstellt. Diese Schritte werden jede Sekunde vielfach durchgeführt, um eine aktive Realzeitdämpfung zu erreichen.
Die PC-basierte Komponente 404 umfasst einen externen Computer mit einem zugehörigen Speicher 406. Auf der PC-basierten Komponente befindet sich ein Designwerkzeug 408 zum Spezifizieren und Herunterladen von Regelkarten (nachfolgend beschrieben) in den Dämpfungsregler 160. Hier kann ebenfalls Software 410 zum Steuern der Funktionsweise des Dämpfungsreglers 160 vorhanden sein. Ferner kann der Dämpfungsregler 160 auf Anforderungen vom PC-basierten System Informationen herauf laden, die er gespeichert hat. Das Herunterladen und Heraufladen werden vorzugsweise über eine Infrarotdatenübertragung durchgeführt, obwohl auch eine Verkabelung, drahtlose Datenübertragungen, Modems und andere Datenaustauscheinrichtungen verwendet werden können.
Wenn ein Fahrer auf eine Erhebung trifft, erfährt der Dämpfer 210 eine Eingangsdruckkraft, die bewirkt, dass das Außenrohr 120 und der befestigte Dämpfer 210 axial in Richtung auf das Innenrohr 130 gleiten (Kompression). Diese Kompression bewirkt, dass der Druck unter dem Kolbenverbindungsschaft 240 in der unteren Kammer 217 größer wird als der Druck über dem Kolbenverbindungsschaft 240 in der oberen Kammer 216. Diese Druckdifferenz verursacht, dass sich das viskose Strömungsmittel entlang dem Primärpfad von der unteren Kammer 217 zur oberen Kammer 216 bewegt. Wenn diese Druckdifferenz groß genug ist, um die von der Feder 361 auf die untere Rückschlagkugel 363 des Dualrückschlagventils 360 ausgeübte Kraft zu überwinden, strömt das viskose Strömungsmittel auch entlang dem Hilfskanal 370, um Druck auf den Feedback-Kolben 313 auszuüben.
Durch den Strom des viskosen Strömungsmittels von der unteren Kammer 217 kann sich das Außenrohr 120 weiterhin axial in Richtung auf das Innenrohr 130 bewegen. Mit anderen Worten, die Rohreinheit 120, 130 wird weiterhin komprimiert. Wie vorstehend beschrieben, erzeugt der Sensor 201 zwei Wellenformen auf zwei Sensorleitungen 223, die mit dem Dämpfungsregler 160 verbunden sind. Diese Wellenformen codieren Informationen in Bezug auf die Relativposition und Bewegungsrichtung des Außenrohres 120 zum Innenrohr 130. Der Dämpferregler kann dann diese Informationen benutzen, um die Relativgeschwindigkeit zu berechnen. Zusammen geben diese Informationen die vorhandenen Terrainbedingungen wieder. Beispielsweise ist die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Innenrohr und Außenrohr größer, wenn das Fahrrad eine größere Erhebung passiert, als wenn es eine kleinere Erhebung passiert. Der Dämpfungsregler 160 benutzt die Geschwindigkeits-, Positions- und Richtungsinformationen zum Regeln des Dämpfungsverhaltens der Dämpfereinheit 210 in Abhängigkeit von den Dämpfungspräferenzen des Fahrers.
5 zeigt eine externe Ansicht des Dämpfungsreglers 160, wobei die fahrradbasierte Nutzerschnittstelle 500 zum aktiven Dämpfungssystem dargestellt ist. Die Schnittstelle 500 ist mit einem Wählschalter 510 versehen, der einen Fahrer in die Lage versetzt, eine von fünf programmierbaren Funktionen in der Form von Regelkarten (nachfolgend beschrieben) auszuwählen. Es versteht sich, dass natürlich jede beliebige Anzahl von Regelkarten vorgesehen sein kann, falls gewünscht.
Die Schnittstelle besitzt ferner ein Display, das eine Reihe von LEDs 520 aufweist, um anzuzeigen, welche der fünf Regelkarten ausgewählt wurde. Ferner können die LEDs individuell oder zusammen getaktet oder in anderer Weise codiert sein, um spezielle Bedingungen zu kennzeichnen. Andere Displays, wie Flüssigkristallvorrichtungen, die diese Informationen zusammen mit anderen Zustandsdaten anzeigen, können anstelle der LEDs oder zusätzlich zu diesen vorgesehen sein.
Die Schnittstelle 500 ist ferner mit einer Fassung 540 versehen, in die ein elektrischer Verbinder gesteckt werden kann. Der elektrische Verbinder kann dazu verwendet werden, um Positions- und Richtungsinformationen vom Sensor 201 zu liefern und den Motor 221 zu aktivieren. Ein EIN/AUS-SPDT-Schalter 525 ist für den Fahrer vorgesehen, damit dieser den Dämpfungsregler 160 ein- und ausschalten kann. Eine Batteriekammer 550, die zum Dämpfungsregler 550 gehört, nimmt eine Batterie auf, die den erforderlichen Strom für die Dämpfungsreglerschaltung 600 der 6 liefert.
Schließlich ist die Schnittstelle mit einem Paar von Lernschaltern 560 versehen, die aktiviert werden können, um zeitweise Daten zu speichern, die durch das Fahren auf eifern speziellen Terrain gesammelt worden sind. Diese Daten können in einem DRAM zeitweise gespeichert werden, um nachfolgend auf einen externen Computer geladen zu werden. Ein Infrarot(IR)-Anschluss 530 erleichtert die Kommunikation mit der PC-basierten Komponente zum Heraufladen von solchen Daten und zum Herunterladen von Regelkarten und anderer Software. Wie vorstehend erläutert, können anstelle des IR-Anschlusses auch andere Datenverbindungen verwendet werden.
6 zeigt ein Blockdiagramm der Dämpferreglerschaltung 600. Im Betrieb zieht der Dämpfungsregler 160 einen maximalen Strom von 60 mA, während der Motor einen maximalen Strom von 300 mA zieht. Die Stromzuführung zur Reglerschaltung wird über eine 9 V-Batterie 602 bewerkstelligt. Die manuelle und automatische Stilllegeschaltung 604 zur Regelung der Stromzufuhr führt den Dämpfungsregler 160 in einem Zyklus zwischen einem aktiven Modus und einem Schlafmodus, um Strom zu sparen und die Batterielebensdauer zu verlängern. Eine Detektionsschaltung 603 für eine niedrige Batteriespannung detektiert einen Abfall der von der 9 V-Batterie 602 gelieferten Spannung unter einen akzeptierbaren Spannungswert. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt die akzeptierbare Spannung bei 7,2 V. Ein Spannungsregler 605, der als Teil LP2951ACM verwirklicht ist, akzeptiert eine schlecht spezifizierte und möglicherweise schwankende Ein gangsgleichspannung und erzeugt aus dieser eine konstante, gut spezifizierte Ausgangsspannung, die dann als Versorgungsspannung für den Rest der Schaltung verwendet werden kann.
Eine Kartenwählschaltung 606 codiert die Regelkartenauswahl, die vom Fahrer mit dem Kartenwählschalter 510 vorgenommen wurde. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann der Fahrer eine von fünf Regelkarten auswählen. Daher bewirkt der Kartenwählschalter 510, dass die Kartenwählschaltung drei Bits zur Kennzeichnung der fünf möglichen Werte abgibt. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Kartenwählschaltung 510 um einen binär codierten Dezimaldrehschalter (BCD) mit fünf Positionen, der von der Firma Grayhill (Teilnummer 26ASD22-01-1-AJS) erhältlich ist. Wie vorstehend erläutert, können der Kartenwählschalter 510 und die Kartenwählschaltung 606 auch erweitert sein, um mehr als fünf Regelkarten zu unterstützen, falls erforderlich.
Ein elektrisch löschbarer programmierbarer Read-Only-Speicher (EEPROM) 609 entspricht dem Teil Nr. X25642 von der Firma Xicor. Andere Formen von nichtflüchtigen Speichern, wie ROMS, PROMS u. ä., können ebenfalls Verwendung finden, wenn eine Löschbarkeit nicht erforderlich ist. In einem derartigen Fall sind die Daten dieser Einheiten hartverdrahtet, wodurch eine reduzierte Flexibilität geboten wird. Der EEPROM 609 speichert die Regelkarten und Konfigurationsdaten für das System. Die Konfigurationsdaten umfassen Schlaf- und Totzeitparameter, die dazu benutzt werden, den Dämpfungsregler 160 automatisch in einen Schlafzustand zu bewegen und diesen automatisch zu deaktivieren. Der EEPROM 609 speichert ferner Kalibrierungsdaten und periphere Fahrerinformationen. Die Kalibrierungsdaten werden benutzt, um Daten in den Regelkarten in Spannungsregelkarten für andere Dämpferventile 218 zu übersetzen.
Wie vorstehend erläutert, gibt der am Außenrohr 120 des Dämpfers 210 angeordnete Sensor 201 zwei Signale ab, die Positions- und Richtungsinformationen in Bezug auf die Bewegung des Innenrohres 120 relativ zum Außenrohr 120 liefern. Das Sensorsignal wird direkt dem Prozessor 601 zugeführt. Falls erforderlich, können Puffer und/oder Inverter zwischen dem Sensor 201 und dem Prozessor vorgesehen sein.
Eine Infrarotverbindung (IR) 608 erleichtert die Datenübertragung zwischen dem Dämpfungsregler 160 und dem externen Computer. Bei der bevorzugten Ausführungsform benutzt die IR-Übertragung 607 eine RS-232-Schnittstelle mit einem Infrarotdatenassoziationschipset von Hewlett Packard (Teilenummern HSDL-1000 und HSDL-7000). Wie vorstehend erläutert, können anstelle der IR-Datenübertragung auch Verkabelungssysteme und andere drahtlose Systeme Verwendung finden.
Am Herz der Dämpfungsreglerschaltung 600 befindet sich eine Zentraleinheit (CPU) 601, die als programmierbarer Mikroprozessor verwirklicht ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Prozessor 601 um Teil Nr. 68HC11, das von der Firma Motorola erhältlich ist.
Der Prozessor 601 empfängt die Sensoreingangssignale vom Sensor 201, die Befehlseingangssignale von der Schnittstelle 500 und gibt in Abhängigkeit davon ein Dämpferreglersignal über den Motortreiber 610 an den Motor 221. Der Prozessor 601 empfängt ferner Zustandsinformationen von der Detektionsschaltung 603 für eine niedrige Batteriespannung, der Schnittstelle 500 und der Datenverbindung 607, falls benutzt. Diese Zustandsinformationen werden in einem Register gespeichert, das zur Displaytreiberschaltung 611 gehört, und auf dem Display 520 angezeigt. Das Register kann als Latch, wie 74AC573, verwirklicht sein. Schließlich führt der Prozessor 601 auch Informationen, die von der Datenverbindung 607 heruntergeladen wurden, wie beispielsweise Regelkarten, dem EEPROM 609 zu. Wenn die Datenverbindung 607 in geeigneter Weise konfiguriert ist, um Informationen abzugeben, kann der Prozessor 601 Daten von einem DRAM oder einem flüchtigen Speicher über die Datenverbindung 607 heraufladen.
Wenn ein Benutzer eine der Regelkarten unter Verwendung des Kartenwählschalters 510 auswählt, setzt der Prozessor 601 ein Kennzeichen zum Identifizieren, welche der im EEPROM 609 gespeicherten Regelkarten verwendet werden soll. Der Prozessor überwacht dann die Eingänge vom Sensor 201 und ermittelt die gegenwärtige Geschwindigkeit und Position des Innenrohres 120 relativ zum Außenrohr 120. Unter Verwendung dieser Informationen konsultiert der Prozessor die ausgewählte Regelkarte zur Ermittlung der gewünschten momentanen Dämpfungskraft (DIDF), die in diesem Augenblick aufgebracht werden soll, um den Auswirkungen der dann erfahrenen Stoßbelastung entgegenzuwirken.
Der Prozessor 601 benutzt die gewünschten momentanen Dämpfungskraftinformationen zusammen mit den Dämpferkalibrierungsdaten, um geeignete Dämpferregelsignale 614 zu berechnen und abzugeben. Die Dämpferregelsignale 614 enthalten Größen- und Polaritätsinformationen, die einem Motortreiber 610 zugeführt werden, um schließlich den Motor 221 zu betätigen.
Der Motortreiber 610 wandelt die Dämpferregelsignale 614 in eine Spannung der geeigneten Größe und Polarität um, die dem Motor 221 zugeführt werden soll. Hierzu besitzt der Motortreiber 610 einen Digital-Analog-Wandler (DAC), nämlich Teil Nr. MAX538, der einen seriellen Anschluss und eine H-Brückenschaltung, nämlich Teil Nr. A39525W, besitzt. Der DAC wandelt ein digitales Dämpferregelsignal 614 in ein Analogsignal um, das an die H-Brückenschaltung zu legen ist. Die H-Brückenschaltung benutzt dieses Signal zusammen mit der Polaritätsinformation zum Antreiben des Motors 221.
Wie vorstehend erläutert, stellt der Motor die Position des Schieberventils 310 ein. Hierdurch wird wiederum die Größe der durch die Ausrichtung der Umfangsöffnungen 311a, 311b des Schieberventils mit den Nuten 323, 325 des Kolbenverbindungsschaftes 240 gebildeten Öffnung geregelt. Durch diese Öffnung wird der Durchfluss des viskosen Strömungsmittels zwischen den Kammern 216, 217 des Dämpfers 210 geregelt, wodurch die Dämpfungskraft zur Verfügung gestellt wird. Dieser Prozess wird viele Male pro Sekunde wiederholt.
Das Dämpfungsverhalten des Dämpfungsreglers 160 wird ermittelt, indem eine von diversen (fünf bei der bevorzugten Ausführungsform) Regelkarten ausgewählt wird. Wie vorstehend erläutert, werden die Regelkarten auf einem externen Computer entwickelt und auf den Dämpfungsregler heruntergeladen.
Die 7a–7d zeigen graphische Darstellungen einer beispielhaften Regelkarte, die dazu benutzt wird, das Dämpfungsverhalten des Dämpfers 210 festzulegen. Jede Regelkarte umfasst zwei Paare von Kennfeldern, wobei jedes Kennfeld eine monotone Kurve aufweist. Ein Paar (7a, 7b) findet Verwendung, wenn das Innenrohr und das Außenrohr aufeinander zu gleiten (Kompression), während das andere Paar (7c, 7d) Verwendung findet, wenn die Rohre voneinander weg gleiten (Expansion). In jedem Paar gibt ein Kennfeld (7a, 7c) die Solldämpfungskraft wieder unter Voraussetzung einer Geschwindigkeitsablesung, während das zweite Kennfeld (7b, 7d) einen Modifikator für die Soll dämpfungskraft zeigt.
Der Dämpfungsvorgang wird in Verbindung mit den 7a und 7b erläutert. 7a zeigt die Solldämpfungskraft in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeit (in cm/sec) des Außenrohres 120 relativ zum Innenrohr 130 zur Kompression. 7b zeigt einen Solldämpfungskraftmodifikator als Funktion der relativen Position (in cm) des Innenrohres 130 und des Außenrohres 120 relativ zu einer Ausgangsposition.
Wenn die Rohreinheit 120, 130 komprimiert wird, berechnet der Prozessor 601 die Dämpferregelung, die zu einer vorgegebenen Relativgeschwindigkeit und Relativposition gehört, auf der Basis der Informationen von 7a und 7b. Der Kraftwert wird als erstes aus 7a gelesen, und dieser Wert wird mit dem aus 7b gelesenen Kraftmodifikator multipliziert. Hierdurch wird die gewünschte momentane Dämpfungskraft (DIDF) auf der Basis der Geschwindigkeit, Position und Richtung der beiden Rohre erzeugt.
Der Prozessor setzt dann die Größe der an den Motor 221 gelegten Spannung unter Verwendung der DIDF fest. Dies wird verwirklicht, indem die im EEPROM 609 gespeicherten Kalibrierungsdaten benutzt werden. Die Kalibrierungsdaten können viele Ausführungsformen annehmen. Beispielsweise kann es sich einfach um eine Nachschlagtabelle handeln, die eine DIDF für eine spezielle Spannung enthält, welche an den Motortreiber 610 zu legen ist. Stattdessen kann es sich auch um eine Vielzahl von Parametern handeln, die zusammen mit der DIDF in einer komplexeren Erzeugungsfunktion verwendet werden, wie beispielsweise einer linearen oder sogar nichtlinearen, polynomen o. ä. Funktion.
In welcher Form sie auch immer vorliegen, sind die Kalibrierungsdaten spezifisch für eine spezielle Dämpfereinheit 210 und hängen stark von den Eigenschaften des Motors 221, der Größe der Rohre 120, 130 und natürlich vom Dämpferventil 218 ab. Daher wird eine Kalibrierung, die die Ermittlung der verschiedenen Parameter und möglicherweise auch der Erzeugungsfunktion enthalten kann, vorzugsweise zum Zeitpunkt der Herstellung der Dämpfereinheit 210 vorgenommen. Während der Kalibrierung findet eine Dehnungsmesseinrichtung oder eine entsprechende Einrichtung Verwendung, um die Ausgangskraft der Einheit 210 zu messen, wenn die Eingangsspannung des Motors eingestellt wird, und zwar unter verschiedenen Bedingungen der Relativgeschwindigkeit und Relativposition. Diese Daten können dann benutzt werden, um ein Modell der Dämpfereinheit unter Verwendung von bekannten Techniken zu entwickeln.
Wenn die Geschwindigkeit sehr hoch ist, bedeutet dies, dass auf eine große Erhebung getroffen worden ist. Wenn die Geschwindigkeit sehr hoch ist, wird im Kennfeld der 7a eine sehr kleine Dämpfungskraft aufgebracht, so dass die Öffnung groß ist. Somit kann das viskose Strömungsmittel frei von der Kammer 217 zur Kammer 216 strömen. Dies deswegen, weil man die große Energiemenge vernichten und die aus der großen Erhebung resultierende Stoßbelastung für den Fahrer reduzieren will. Geringere Geschwindigkeiten bedeuten mehr graduelle Erhebungen. Daher ist in 7a die Solldämpfungskraft etwas größer, da die Stoßbelastung für die Fahrer etwas geringer ist. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass in 7a die minimale Sollkraft etwa 20 beträgt. Dies ist die Kraft, die von der vorstehend beschriebenen Vorspannungsunterstützungsfeder 250 aufgebracht wird.
7b zeigt, dass der Kraftvervielfacher während der Kompression sehr hoch ist, wenn sich das Innenrohr und Außenrohr bis zu einem Extremwert bewegt haben. Dies ist deswegen der Fall, weil man nicht wünscht, dass sich das Innenrohr und Außenrohr relativ zueinander nach unten herausbewegen. Durch die Multiplikation der Solldämpfungskraft (d. h. Schließen der Öffnung) wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein solcher Fall auftritt, reduziert.
Die 7c und 7d enthalten ähnliche Informationen wie die Diagramme der 7a und 7b, mit der Ausnahme, dass 7c und 7d während der Expansion Verwendung finden.
Wie vorstehend erläutert, findet jede Regelkarte Verwendung unter Einsatz einer Nachschlagtabelle, in der enge Bereiche von Geschwindigkeiten oder Positionen in Werte für Solldämpfungskräfte und Kraftvervielfacher umgerechnet sind. Die Regelkarten können auch in der Form von algebraischen Funktionen realisiert sein, die diese Werte berechnen. Bei der bevorzugten Ausführungsform besetzen jedoch die Regelkarten 1.096 Speicherbytes, welche 64 Bytes für gemischte Daten, einschließlich Prüfsummenergebnisse, enthalten. Somit ist für fünf Regelkarten etwa ein Raum von 5,5 Kbytes des EEPROM 609 erforderlich. Die Prüfsumme ist die Summe einer Gruppe von Datengegenständen, die der Gruppe für Prüfzwecke zugeordnet sind. Die CPU 601 nimmt auf Prüfsummenergebnisse Bezug, um die Richtigkeit der Daten in den Regelkarten zu verifizieren.
Die 8–11 erläutern die Funktionsweise der Dämpferreglerschaltung 600 der 6. Das Ablaufdiagramm der 8 beschreibt die Funktionsweise des Dämpferreglers 160, wenn dieser zuerst aktiviert wird.
In Schritt 800 initialisiert die Zentraleinheit (CPU), die als Prozessor 601 verwirklicht ist, den Prozessor und beginnt den Speicher zu testen.
Als Nächstes testet der Prozessor 601 in Schritt 801 die Daten im EEPROM 609, die den Regelkarten zugeordnet sind. Die Regelkartendaten und die Prüfsummendaten werden untersucht, um zu ermitteln, ob sie intakt sind. Der Prozessor 601 verifiziert jede Regelkarte durch Vergleichen der berechneten 16 bit als Prüfsumme für die Regelkarte mit den Prüfsummendaten, die im EEPROM 609 gespeichert sind. Wenn die beiden Mengen übereinstimmen, illuminiert der Prozessor die LED 520 entsprechend dieser Regelkarte. Dies informiert den Benutzer, dass die Regelkarte intakt ist. Diese LED wird dann ausgeschaltet, und der Test wird fortgesetzt. Wenn irgendeine Regelkarte den Testsummentest in Schritt 801 nicht besteht, geht die Regelung auf Schritt 802 über.
In Schritt 802 benutzt der Prozessor 601 eine Fehlerregelkarte, die als Softwaremodul zur Verfügung steht. Wenn eine Fehlerregelkarte verwendet wird, illuminiert die CPU 601 jede LED auf dem Display 611 mit Ausnahme derjenigen, die der Fehlerregelkarte entspricht.
Die Regelung rückt schließlich zu Schritt 803 vor. In Schritt 803 führt der Prozessor 601 den Prüfsummentest anhand der Kalibrierungsdaten durch. Wenn der Prüfsummentest nicht bestanden wird, rückt die Regelung zu Schritt 804 vor und stoppt der Prozessor. Wenn der Prozessor stoppt, werden sämtliche LEDs 520 illuminiert, um einen Fehlerzustand anzuzeigen. Wenn die Kalibrierungsdaten den Prüfsummentest in Schritt 803 bestehen, rückt die Regelung zu Schritt 804 vor.
In Schritt 804 prüft der Prozessor, ob eine Verbindung an einen externen Computer vorhanden ist. Hierzu sendet der Prozessor 601 ein ACK-Signal an den externen Computer über die IR-Verbindung 607. Wenn der externe Computer in Schritt 806 an den Dämpfungsregler 160 ein NACK-Signal zurücksendet, beginnt der Dämpfungsregler 160 mit dem Test/Fabrikmodus 808. Im Test/Fabrikmodus regelt der externe Computer auf entfernte Weise den Dämpferregler 160. Regelkarten, Konfigurationsdaten und Kalibrierungsdaten können dann für den Dämpferregler heruntergeladen werden. Der externe Computer sendet Regelkarten (7a–7d), Kalibrierungsdaten und Konfigurationsdaten an den Dämpfungsregler 160 unter Verwendung eines Standardpaketprotokolls. Der Dämpfungsregler 160 speichert diese Daten im EEPROM 609. Nach dem Eintritt in den Test/Fabrikmodus 806 muss der Dämpfungsregler 160 ausgeschaltet werden, bevor er mit dem Reglermodus beginnen kann. Wenn der Prozessor ausgeschaltet ist, während er ein NACK-Signal 806, 807 vom externen Computer erwartet, bedeutet dies, dass sich das System im Betriebsmodus befindet, so dass die Regelung zu Schritt 809 übergeht.
In Schritt 809 führt der Prozessor 601 eine Prüfsummenverifikation mit den Systemkonstanten 809 im EEPROM 609 durch. Wenn dies nicht gelingt, werden Fehlerwerte in Schritt 810 eingegeben. Nachdem Systemkonstanten entweder verifiziert oder eingegeben worden sind, werden irgendwelche anderen verbleibenden Konstanten in Schritt 811 eingegeben, und die Regelung rückt zu Schritt 812 vor, in dem das aktive Dämpfungssystem mit dem Reglermodus beginnt.
Wie in 9 gezeigt, pausiert das System beim Eintritt in den Reglermodus in Schritt 901 2 msec lang in Bezug auf jede Aktivität, um zur Ruhe zu kommen, bevor mit Schritt 902 fortgefahren wird, in dem das System mit einem Schlaf/Überwachungszyklus beginnt.
In Schritt 902 ermittelt der Prozessor 601, ob ein interner Schlaftimer abgelaufen ist. Wenn dies der Fall ist, bewirkt der Prozessor einen Schlafvorgang für eine vorgegebene Zeitdauer in Schritt 903. Wie in 11 gezeigt, wird der Schlaftimer rückgesetzt, wenn die vom Sensor 201 empfangene relative Geschwindigkeit ungleich Null ist. Der Schlaftimer wird ferner rückgesetzt, wenn der Fahrer den Regelkartenwählschalter 510 verändert. Wenn der Schlaftimer noch nicht abgelaufen ist, wird die Überwachung mit den Schritten 904–910 fortgesetzt.
Als Erstes werden die relative Dämpferposition 904 und die relative Dämpfergeschwindigkeit 905 berechnet, wie in 10 gezeigt. In Schritt 906 werden die Solldämpfungskraft und dann in Schritt 907 der Kraftmodifikator auf der Basis der ausgewählten Regelkarte gewonnen. In Schritt 908 wird die DIDF berechnet. In der Praxis handelt es sich bei der Sollkraft um einen 8 bit-Wert, der dann durch den Kraftmodifikator in einen anderen 8 bit-Wert umgewandelt wird. Das Ergebnis dieser Umwandlung wird dann normalisiert, indem die resultierenden bits so geshiftet werden, dass eine 8 bit-DIDF erzeugt wird.
In Schritt 909 werden die Kalibrierungsdaten verwendet, um die Dämpferregelsignale 614 aus der DIDF zu erzeugen. Obwohl unterschiedliche Kalibrierungsdaten für unterschiedliche Modelle von Dämpfereinheiten 210 benötigt werden, gibt es nur einen geringen Unterschied zwischen Dämpfereinheiten mit dem gleichen Design. Die Kalibrierungsdaten ermöglichen die Verwendung der gleichen Regelkarten mit gleichen Modelldämpfereinheiten. Natürlich können die gleichen Regelkarten auch mit anderen Dämpfereinheiten verwendet werden, wenn Kalibrierungsdaten für diese anderen Dämpfereinheiten zur Verfügung stehen. Um sicherzustellen, dass das System mit unterschiedlichen Dämpfereinheiten verwendet werden kann, können Kalibrierungsdaten für eine Reihe von unterschiedlichen Einheiten eingegeben werden und kann dann bewirkt werden, dass der Prozessor 601 elektronisch überwacht, welche Einheiten installiert worden sind, und zwar über einen zusätzlichen Anschluss oder eine zusätzliche Schnittstelle.
Schließlich werden in Schritt 910 die Dämpferregelsignale 614 dem Motortreiber 610 zugeführt, um schließlich den Motor zu betreiben, wie vorstehend erläutert.
10 zeigt die Berechnung der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Innenrohr 130 und dem Außenrohr 120 (Schritt 905). In Schritt 1001 liest der Prozessor 601 den Impulsspeicher, der einen Impuls für jede reflektierende Markierung enthält, auf die der Sensor 201 trifft.
In Schritt 1002 liest der Prozessor 601 dann die zweite Wellenform vom Sensor 201, der die Richtung der relativen Bewegung zwischen den beiden Rohren codiert. Der Algorithmus ermittelt das Vorzeichen der Dämpfergeschwindigkeit durch Bezugnahme auf die nachfolgende Tabelle 1. Tabelle 1 Logiktabelle für Dämpferrichtung

Vorhergehender Zustand Momentaner Zustand Geschwindigkeit

Hoch Hoch Positiv (Stoß)

Niedrig Niedrig Negativ (Rückstoß)

Niedrig Hoch 0

Hoch Niedrig 0
In Schritt 1003 wird das vorhandene up/down-bit von dieser zweiten Wellenform mit dem vorhergehenden verglichen. Wenn diese unterschiedlich sind, bedeutet das, dass sich die Richtung verändert hat, so dass die Geschwindigkeit in diesem Fall in Schritt 1006 auf Null gesetzt wird.
Wenn diese gleich sind, bedeutet das, dass sich das eine Rohr in der gleichen Richtung wie vorher relativ zum anderen Rohr bewegt. Daher wird die Geschwindigkeit dieser Bewegung in Schritt 1004 ermittelt. Der Algorithmus berechnet die Dämpfergeschwindigkeit auf der Basis der Anzahl von Positionstakten, die durch Impulse in den Positionsinformationen repräsentiert sind, welche vom Sensor 201 zugeführt wurden, wobei diese in dem Zeitraum auftreten, der zwischen zwei Regelschleifeniterationen 1004 abgelaufen ist. Genauer gesagt, die Dämpfergeschwindigkeit wird als die Anzahl von Positionstakten multipliziert mit der Distanz zwischen reflektierenden Markierungen auf dem Codestreifen dividiert durch die Regelschleifenperiode berechnet. Aufgrund dieses Schemas kann das System die Geschwindigkeit in Schritten von 0,83 Zoll/sec messen, wenn die minimale Distanz zwischen den reflektierenden Markierungen auf dem Codestreifen 0,0013 Zoll und die Regelschleifenperiode 0,002 sec betragen.
In Schritt 1005 wird das momentane up/down-bit für einen zukünftigen Vergleich mit dem nächsten up/down-bit gespeichert. Hiernach wird die Geschwindigkeit in Schritt 1007 geprüft, um festzustellen, ob diese Null ist. Wenn sie nicht Null ist, setzt der Algorithmus den Überwachungstimer in Schritt 1008 auf Null zurück, um zu verhindern, dass das System in den Schlafmodus eintritt. Durch das Rücksetzen des Überwachungstimers wird das System ferner aus dem Schlafzustand herausgeführt, wenn die Vorrichtung sich im Schlafzustand befunden hat.
Schließlich führt der Algorithmus in Schritt 1009 die berechnete Geschwindigkeit zur Hauptregelschleife des Dämpfungsreglers 160 zurück, in der sie benutzt wird, um die Dämpferregelsignale zu berechnen, wie vorstehend erläutert.
11 zeigt den Schlafmodus. Beim Eintreten in den Schlafmodus schaltet das Schaltungssystem 609 zuerst sämtliche peripheren Einrichtungen in Schritt 1101 aus. Dies umfasst solche Gegenstände, wie die Datenverbindung 607, den Motortreiber 610. Die LED-Schaltung 611 befindet sich in einem Leistungszyklus von 20%.
Bei dem Systemtimer handelt es sich um einen einfachen unterbrechungsangetriebenen Zähler, der mit dem langsamsten Takt läuft, welcher am Prozessor 601 zur Verfügung steht. Hierdurch kann das System sehr lange Auszeiten aufweisen, falls es diese erfordert, und der mit der Aufrechterhaltung des Timers verbundene Overhead wird reduziert.
In Schritt 1102 prüft das System in diesem Schlafmodus, ob es irgendeinen Eingang von einem der Schalter 525, 560 oder dem Sensor 201 gibt. Wenn dies der Fall ist, rückt die Regelung zu Schritt 1103 vor, um den Reglermodus wieder einzunehmen. Wenn nicht, werden die LEDs mit einer reduzierten Leistung betrieben, wie in Schritt 1104 angedeutet, wonach das System in Schritt 1105 prüft, ob der Schlaftimer abgelaufen ist. Wenn nicht, wird die Schalter- und Sensorüberwachung fortgesetzt. Wenn der Schlaftimer abgelaufen ist, rükt die Regelung zu Schritt 1106 vor und wird das System stillgesetzt. Dies tritt typischerweise auf, wenn der Fahrer vergisst, das System mit dem EIN/AUS-SPDT-Schalter 525 auszuschalten.
Die Software am externen Computer versieht den Benutzer mit einer freundlichen Umgebung, die eine graphische Nutzerschnittstelle (GUI) umfasst, so dass der Fahrer rasch neue Regelkarten definieren kann. Regelkarten können definiert werden, indem ein Paar von Vektoren erzeugt wird, das entsprechende Kartierungen umfasst. Dies kann durchgeführt werden, indem eine Kartierung einer gewünschten Form unter Verwendung eines Cursors, Lichtstiftes, Track Balls o. ä. angefertigt wird. Alternativ dazu kann man Kartierungen unter Verwendung von mathematischen Gleichungen erzeugen. Andere Wege zur Erzeugung von diesen Kartierungen können ebenfalls Verwendung finden. Die resultierenden Regelkarten können in einem Speicher des externen Computers gespeichert werden, nachdem sie hergestellt worden sind. Sie können später über die Datenverbindung 607 auf den Dämpfungsregler 160 heruntergeladen werden.

Claims

Elektronisches Dämpfungssystem (100) für ein Radfahrzeug mit einer Dämpfungseinheit mit einem ersten Element (120), einem zweiten Element (130), einem Ventil (218), das mindestens eine Öffnung aufweist, und einem Motor (221), der in Wirkeingriff mit dem Ventil (218) steht, um einen Bereich einer jeden der mindestens einen Öffnung zu regeln; einem Sensor (201), der so ausgebildet ist, dass er mindestens ein Sensorsignal abgibt, das eine Position des ersten Elementes relativ zum zweiten Element (130) anzeigt; gekennzeichnet durch einen externen Computer (404) mit Software (410), um einen Benutzer/Fahrer in die Lage zu versetzen, mindestens eine programmierbare Funktion zu definieren; und einen Dämpfungsregler (160), der elektronisch mit dem Sensor (201) verbunden und so konfiguriert ist, dass er mindestens ein Sensorsignal empfängt, aus dem Sensorsignal ein Regelsignal auf der Basis einer ausgewählten Funktion der mindestens einen programmierbaren Funktion, die vom Benutzer/Fahrer ausgewählt und vom externen Computer (404) zum Dämpfungsregler (160) übertragen wurde, wobei das Regelsignal einer gewünschten Dämpfungskraft entspricht, berechnet und das abgegebene Regelsignal an den Motor abgibt, bei dem jede der mindestens einen programmierbaren Funktion umfasst: eine erste Regelkarte für eine Kompression des Dämpfungssystems, die eine Funktion aus der Geschwindigkeit des ersten Elementes (120) relativ zum zweiten Element (130) in Bezug auf einen ersten Zwischendämpfungskraftwert repräsentiert; eine zweite Regelkarte für eine Kompression des Dämpfungssystems (100), die eine Funktion aus der Position des ersten Elementes (120) relativ zum zweiten Element (130) in Bezug auf einen ersten Dämpfungskraftmodifikator repräsentiert, wobei die gewünschte Dämpfungskraft ein Produkt aus dem ersten Zwischendämpfungskraftwert und dem ersten Dämpfungskraftmodifikator ist; eine dritte Regelkarte für eine Expansion des Dämpfungssystems (100), die eine Funktion aus der Geschwindigkeit des ersten Elementes (120) relativ zum zweiten Element (130) in Bezug auf einen zweiten Zwischendämpfungskraftwert repräsentiert; und eine vierte Regelkarte für eine Expansion des Dämpfungssystems (100), die eine Funktion aus der Position des ersten Elementes (120) relativ zum zweiten Element (130) in Bezug auf einen zweiten Dämpfungskraftmodifikator repräsentiert, wobei die gewünschte Dämpfungskraft ein Produkt aus dem Zwischendämpfungskraftwert und dem zweiten Dämpfungskraftmodifikator ist.
Dämpfungssystem (100) nach Anspruch 1, bei dem der Dämpfungsregler (160) umfasst: eine Berechnungsvorrichtung (601) zum Ermitteln der gewünschten Dämpfungskraft aus dem mindestens einen Sensorsignal unter Verwendung der ausgewählten Funktion von der mindestens einen programmierbaren Funktion; und einen Motortreiber (610), der elektrisch mit der Berechnungsvorrichtung (601) verbunden ist, um die gewünschte Dämpfungskraft des mindestens einen Regelsignals zu übertragen, wobei das mindestens eine Regelsignal eine Spannung und eine Polarität zum Regeln einer Geschwindigkeit und einer Richtung des Motors (221) aufweist.
Dämpfungssystem (100) nach Anspruch 2, bei dem der Dämpfungsregler (160) des Weiteren einen Speicher zum Speichern der mindestens einen programmierbaren Funktion aufweist.
Dämpfungssystem (100) nach Anspruch 2, bei dem der Motortreiber (610) umfasst: einen Digital-Analog-Wandler zum Erzeugen der Spannung zum Regeln der Geschwindigkeit des Motors (221) aus der gewünschten Dämpfungskraft; und eine H-Brückenschaltung zum Ermitteln der Polarität zum Regeln der Richtung des Motors (221).
Dämpfungssystem (100) nach Anspruch 1, bei dem jede der mindestens einen programmierbaren Funktion mindestens eine algebraische Funktion aus der Geschwindigkeit und Position des ersten Elementes (120) relativ zum zweiten Element (130) in Bezug auf die gewünschte Dämpfungskraft umfasst.
Dämpfungssystem (100) nach Anspruch 1, bei dem der externe Computer (404) mindestens einen Eingang/Ausgang besitzt und die mindestens eine programmierbare Funktion von einem Fahrer eingibt sowie die mindestens eine programmierbare Funktion an den Dämpfungsregler (160) abgibt und Terraindaten vom Dämpfungsregler (160) eingibt.
Dämpfungssystem nach Anspruch 1, bei dem das erste Element (12) ein Außenrohr ist, das entlang einer Längsachse ausgerichtet ist; das zweite Element (130) ein Innenrohr ist, das konzentrisch zum Außenrohr (120) ausgebildet und so angeordnet ist, dass es sich entlang der Längsachse relativ zum Außenrohr (120) bewegt; ein Dämpfer an einem Ende am Außenrohr (120) befestigt ist, der umfasst: ein im Wesentlichen zylindrisches Dämpferwandelement, das sich entlang der Längsachse erstreckt, wobei mindestens ein Abschnitt des Dämpferwandelementes im Innenrohr (130) angebracht ist; den im Dämpferwandelement untergebrachten Motor (221), der eine Welle (312) besitzt, die so angeordnet ist, dass sie sich entlang der Längsachse bewegt; und das in Wirkeingriff mit der Welle (312) stehende Ventil (218), das eine erste und zweite Öffnung aufweist, die im Längsabstand voneinander angeordnet sind; eine Dichtung (223) zwischen dem Dämpferwandelement und dem Innenrohr (130); eine erste Kammer (216), die zwischen dem Dämpferwandelement und einem ersten Abschnitt des Innenrohres (130) ausgebildet ist; und eine zweite Kammer (217), die zwischen dem Dämpferwandelement und einem zweiten Abschnitt des Innenrohres (130) ausgebildet ist, wobei die erste und zweite Kammer (216, 217) durch die erste Dichtung (223) voneinander getrennt sind und die erste Ventilöffnung mit der ersten Kammer (216) und die zweite Ventilöffnung mit der zweiten Kammer (217) in Verbindung stehen.
Dämpfungssystem (100) nach Anspruch 1, bei dem die Dämpfungseinheit des Weiteren einen Kolben, der am ersten Element (120) befestigt und so angeordnet ist, dass er sich in der zweiten Kammer (120) bewegt, und einen Ventileinsteller aufweist, der mit dem Ventil (218) in Wirkverbindung steht, um einen Bereich der mindestens einen Öffnung zu regeln; das mindestens eine Sensorsignal eine Verschiebung des Kolbens relativ zum zweiten Element (130) anzeigt; und der Dämpfungsregler (160) eine Logikschaltung zum Erzeugen des Regelsignals aufweist und das Regelsignal an den Ventileinsteller abgegeben wird.
Verfahren zum Dämpfen eines Radfahrzeuges mit einem elektronischen Dämpfungssystem (100) nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln und Abgeben mindestens eines Sensorsignals, das eine Position des ersten Elementes (120) der Dämpfereinheit relativ zum zweiten Element (130) der Dämpfereinheit anzeigt, mit einem Sensor; Empfangen des mindestens einen Sensorsignals mit einem Dämpfungsregler (160), der elektrisch an den Sensor (201) angeschlossen ist; Berechnen eines Regelsignals auf der Basis von mindestens einer von einem Benutzer/Fahrer ausgewählten programmierbaren Funktion vom Sensorsignal in Bezug auf eine gewünschte Dämpfungskraft; und Abgeben des Regelsignals an den Motor (221).