DE3813695A1 - Aktive aufhaengung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Aufhängung für ein Fahrzeug mit einer Karosserie und mehreren Rädern, insbesondere eine aktive Aufhängung für ein Land-Kraftfahrzeug.

Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine neuartige aktive Aufhängung für ein Fahrzeug, die dazu ausgelegt ist, den Fahrkomfort durch durch Einbeziehung der Auf- und Ab-Beschleunigung (vertikal) der Masse oberhalb einer jeden Aufhängungsfeder, der relativen Vertikalverlagerungen und der relativen Vertikalverlagerungs­ geschwindigkeiten der Masse oberhalb und unterhalb einer jeden Aufhängungsfeder zu verbessern.

Eine sogenannte aktive Aufhängung für ein Automobil, die zwischen dem Fahrzeugrahmen und den Radanordnungen angeordnet ist, ist bereits bekannt (vgl. z. B. japanische Offenlegungsschriften 2 13 510/1984). In einer aktiven Aufhängung sind die Dämpfungseigenschaften von Gas-/Flüssigkeits-Federn der Aufhängungseinheiten, in denen diese Federn verwendet werden, variabel entsprechend der relativen Verlagerung (Grad der gegenseitigen Relativverlagerung) in Auf- und Ab-Richtung (vertikal) der Radachsen und des Fahrzeugrahmens und dem Grad der zeitlichen Veränderung dieser Relativ-Verlagerung, das heißt der Geschwindigkeit der Relativ-Verlagerung in vertikaler Richtung, gesteuert.

In diesen bekannten Systemen wird die Beschaffenheit der Straßenoberfläche, das heißt ob sie glatt oder uneben ist, aus der Relativ-Verlagerung in Vertikalrichtung und der Geschwindigkeit der Relativ-Verlagerung der Radachsen und des Fahrzeugrahmens bestimmt, und die Dämpfkraft der Gas-Flüssigkeits-Feder in jeder Aufhängungseinheit wird klein eingestellt, wenn die Straßenoberfläche glatt ist, und groß, wenn sie uneben ist. Für den Fall, daß die Straßenoberfläche als glatt erkannt worden ist, wird die Dämpfcharakteristik weich und der normale Fahrkomfort kann gesteigert werden. Dabei ergibt sich jedoch das Problem, daß eine Resonanz der Masse oberhalb der Federn nicht unterdrückt werden kann, und man so ein starkes Gefühl des Schwebens hat.

Ferner tritt eine Rollbewegung auf, wenn das Fahrzeug auf einer als glatt angesehenen Straße in eine Kurve gesteuert wird. Wenn Maßnahmen, wie Verstärken der Dämpfkraft ergriffen werden, um das Schlingern zu verhindern, wird die Aufhängung zum Zeitpunkt der Veränderung hart, wodurch sich der Fahrkomfort erheblich verschlechtert.

Ein weiterer Nachteil der beschriebenen aktiven Aufhängung liegt darin, daß die Durchflußrate der Fluide des Systems im Falle von Hochfrequenzvibrationen extrem hoch werden und nicht mehr ohne eine erhebliche Steigerung der Kapazitäten des Luftkompressors, der Ölpumpe und anderer Komponenten erreicht werden kann, wobei ein Ansteigen der Kosten für die Ausstattung und die verbrauchte Energie nicht vermieden werden kann.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine aktive Aufhängung für ein Fahrzeug zu liefern, bei der durch geeignetes Trennen der Verwendung der Beschleunigungen des Fahrzeugs in vertikaler Richtung und der vertikalen Relativ-Verlagerungen der Aufhängungseinheiten durchgehend eine weiche Dämpfung bezüglich der Eingabe betreffend die Straßenoberfläche und eine harte Dämpfung in bezug auf die Kräfte, die direkt von der Seite des Fahrzeugrahmens herwirken, wie Lastverlagerung infolge von Kurven, erreicht wird, wobei diese Funktionen gleichzeitig in einem System wahrgenommen werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine aktive Aufhängung für ein Fahrzeug zu schaffen, die bei geringer Fluidflußmenge exzellente Aufhängungscharakteristika für großen Fahrkomfort über den gesamten Frequenzbereich der Vibrationen aufweist.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch eine aktive Aufhängung gelöst, bei der das Abführen des Fluids aus den Aufhängungseinheiten, welche die Fahrzeugkarosserie (inklusive Rahmen und Aufbau) mittels des Drucks des Fluids tragen, und das Einspeisen des Fluids in die Dämpfeinheiten von entsprechenden Steuerventilen gesteuert wird, welche auf der Grundlage bestimmter Mengen bzw. entsprechender Signale von einer Überwachungseinheit arbeiten.

In der erfindungsgemäßen Aufhängung berechnet die Überwachungseinheit die Mengen einzuspeisenden oder abzuführenden Fluids in Abhängigkeit von drei Arten von Informationen, nämlich Vertikalbeschleunigungssignale von Auf/Ab-Beschleunigungssensoren (vertikal) zum Erfassen von Vertikalgeschwindigkeiten oberhalb der Aufhängungsfedern, Geschwindigkeitssignale der vertikalen Relativ-Verlagerung und vertikale Relativ-Verlagerungssignale, welche aus den Signalen aus Relativ-Verlagerungssensoren zum Erfassen der vertikalen Relativ-Verlagerungen oberhalb und unterhalb der Aufhängungsfedern gewonnen werden. Entsprechend der Grundfunktion, wird Fliud eingespeist, wenn die vertikale Beschleunigung abwärts gerichtet ist, und es wird abgeführt, wenn die Beschleunigung aufwärts gerichtet ist. Entsprechend der vertikalen Relativ-Verlagerungsgeschwindigkeit und der vertikalen Relativ-Verlagerung wird das Fluid aus der Aufhängungseinheit abgeführt, wenn die Dämpfeinheit sich verlängert und es wird eingespeist, wenn die Dämpfeinheit sich verkürzt.

Aufgrund dieser Funktion der Überwachungseinheit und davon abhängiger Teile der Aufhängung, werden vertikale Vibrationen oder Schwingungen der Karosserie in Abhängigkeit von Eingaben betreffend die Straßenoberfläche gedämpft, wodurch die Vibrationen oder Schwingungen nicht auf die Karosserie übertragen werden, was in einem extrem sanften Fahrgefühl resultiert. Gleichzeitig werden Rollen oder Kippen der Karosserie wegen Lastverschiebungen bei Kurvenfahrten oder bei Beschleunigung oder beim Bremsen unterdrückt, und die Karosserie wird durchgehend im Normalzustand gehalten. So ist eine große Verbesserung der Aufhängung erreicht.

Erfindungsgemäß ist ein Hilfsdämpfer in jeder Aufhängungseinheit und gleichzeitig ein Tiefpaßfilter zum Ausblenden oder Abspalten von Hochfrequenzkomponenten der Signale, welche von den Beschleunigungssensoren übermittelt werden, vorgesehen. Dadurch wird die Regelung durch Einspeisen oder Abführen von Fluiden in hochfrequenten Bereichen der Vertikalbeschleunigung begrenzt und die Dämfpungsregelung im Prinzip mittels des Hilfsdämpfers vorgenommen. Daraus resultiert ein sanftes Fahrgefühl, ein hoher Dämpfungsgrad in der Vibrationscharakteristik und gutes Sitzen, was mit herkömmlichen Fahrzeugen nicht erreicht werden kann. Gleichzeitig wird eine Verminderung der Menge des Fluids erreicht, weil die Regelung durch Einspeisen oder Auslassen von Fluid betreffend die Vibrationen im Hochfrequenzbereich eingeschränkt ist. Demzufolge können die Abmessungen und die Kapazitäten der einzelnen Elemente, wie des Gaskompressors und der Ölpumpe, als auch die Menge der benötigten Energie erheblich verringert werden, wodurch eine große Einsparung an Kosten in der Praxis möglich ist.

Nebenn dem Hilfsdämpfer mit geringer Dämfpung in jeder Aufhängungseinheit ist erfindungsgemäß ein Tiefpaßfilter zum Eliminieren von Hochfrequenzkomponenten in den Erfassungssignalen des Vertikalbeschleunigungssensors und des Relativ-Verlagerungssensors, beispielsweise in der Größenordnung von 4 bis 5 Hz oder mehr vorgesehen. Dadurch werden die Hochfrequenzkomponenten der Vibrationen mittels des Hilfsdämpfers mit geringer Dämpfung und der Fluidfedercharakteristika der Aufhängungseinheit gedämpft und absorbiert, während Schwingungen im Niederfrequenzbereich in der Nähe der natürlichen Schwingungsfrequenz der Karosserie mittels Abführen und Einspeisen des Fluids aus der bzw. in die Aufhängungseinheit entsprechend einem Befehlssignal aus der beschriebenen Kontrolleinheit unterdrückt werden.

Demzufolge wird der Grad der Vibrationsübertragung über dem gesamten Frequenzbereich gering, wodurch ein guter Fahrkomfort erreicht wird. Ferner werden im Niederfrequenzbereich auftretende Bewegungen, wie Stoßen, Kippen und Rollen merklich gedämpft und reduziert, und das sogenannte schwebende oder schwimmende Fahrgefühl wird beseitigt, weil ideale Aufhängungscharakteristika erreicht sind. Da bezüglich hochfrequenter Vibrationen keine Regelung durch Einspeisen und Abführen von Fluiden vorgenommen wird, kann die Menge des Fluidflusses reduziert werden, weshalb ein Luftkompressor, Ölpumpen und andere Elemente mit kleinen Kapazitäten für beste Betriebscharakteristika ausreichen. Somit können die Kosten für Ausstattung und Energie erheblich reduziert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines schematischen Fluidkreises eines Lufteinspeise- und -abführsystems einer luftbetriebenen Aufhängung nach einer Ausführung der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Ausführung des Überwachungskreises der Überwachungseinheit nach Fig. 1;

Fig. 3 den Frequenzgang der Vibrationen bei verschiedenen Dämpfungen;

Fig. 4 den Frequenzgang der Vibrationen, bei verschiedenen Steifigkeiten einer Feder;

Fig. 5 den normalen Frequenzgang von Vibrationen und den Frequenzgang von Vibrationen, wie er durch Regelung der Luftentladung aus einer und der Lufteinspeisung in eine Aufhängungseinheit in dem erfindungsgemäßen System erreicht wird;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Überwachungskreises der Überwachungseinheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 7 eine vertikale Schnittansicht der Luft- Aufhängungseinheit mit einem Hilfsdämpfer.

In Fig. 1 ist eine Luft-Aufhängungseinheit 1 (nur eine Einheit ist gezeigt) an einem Rahmenteil 2 der Karosserie vorgesehen. Wie in Fig. 7 gezeigt, umfaßt diese Luft-Aufhängungseinheit 1 einen Hilfsdämpfer 1 a, der beispielsweise ein Zylinderteil 1 b, das an seinem unteren Ende mit einem Radachsenhalteteil 3 verbunden ist, und eine Kolbenstange 1 c aufweist, die in axialer Richtung verschiebbar innerhalb des Zylinderteils angeordnet und an ihrem oberen Ende mittels eines elastischen Teils mit dem Rahmenteil 2 der Karosserie verbunden ist.

In einer Luftkammer, die zwischen dem Hilfsdämpfer 1 a und der Kolbenstange ausgebildet ist, ist Luft eingeschlossen, wobei der hochfrequente Anteil (beispielsweise 4 bis 5 Hz oder mehr) der Vertikalschwingung des entsprechenden Rades mittels des Hilfsdämpfers 1 a mit geringer Dämpfung gedämpft wird. Ferner wird die nach unten wirkende Last der Karosserie von der Volumenelastitzität der in der Luftkammer eingeschlossenen Luft getragen. Durch Einspeisen von Luft in die Luftkammer oder durch Entladen der Luft aus der Luftkammer kann die karosserieseitige Höhe des Rahmenteils 2 relativ zur Radachse, d. h. die Radhöhe und darüber hinaus die Federkonstante eingestellt werden.

Die beschriebene Luft-Aufhängungseinheit 1 ist in jedem der vorderen und hinteren und rechten und linken Aufhängungsstelle vorgesehen. In jedem dieser Aufhängungsteile sind ein Relativ-Verlagerungssensor 4 zum Erfassen einer Relativ-Verlagerung in der Auf- und Ab-Richtung zwischen dem Teil auf der Radseite, d. h. auf der Seite des Teils unterhalb der Feder, und dem karosserieseitigen Teil, d. h. dem Teil oberhalb der Feder, und ein Vertikalbeschleunigungssensor 5 zum Erfassen der Vertikalbeschleunigung der Karosserie, d. h. der Teile oberhalb der Feder vorgesehen. Die Erfassungssignale des Relativ-Verlagerungssensors 4 und des Vertikalbeschleunigungssensors 5 werden in die weiter unten beschriebene Kontrolleinheit 6 eingegeben. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist nur eines der Aufhängungsteile in Fig. 1 gezeigt, während die anderen weggelassen sind, weil sie dem beschriebenen entsprechen.

Das Zu- und Abführen von Luft in die bzw. aus den Luftkammern in den Luft-Aufhängungseinheiten 1 wird von einem Steuerventil 7 für die Luftströmmenge gesteuert, das vier Sätze Ventile umfaßt, wobei jeder Satz ein Speise- und ein Entladeventil umfaßt. Dieses Steuerventil 7 ist so ausgelegt, daß das Zu- und Abführen von Luft in jeder der vier Luft-Aufhängungseinheiten 1 separat von diesem Steuerventil 7 und unabhängig von den Steuerventilen der anderen Aufhängungseinheiten gesteuert wird.

Ein Einlaß des Steuerventils 7 ist an einen Hochdrucklufttankt 8 angeschlossen, während der Ausgang des Steuerventils 7 an einem Niederdrucklufttank 9 liegt. Der Luftdruck innerhalb des Hochdrucktanks 8 wird auf einem vorgegebenen Wert gehalten, der wesentlich höher ist, als der Druck innerhalb der Luftkammer der Luft-Aufhängungseinheit 1, so daß augenblicklich Luft in die Luftkammer eingespeist wird, wenn das Speiseventil des Strömmengensteuerventils 7 geöffnet wird. Auf der anderen Seite wird das innere des Niederdrucklufttanks 9 auf einem vorbestimmten Luftdruck gehalten, der erheblich geringer ist, als der Luftdruck innerhalb derselben Luftkammer, so daß die Luft innerhalb der Luftkammer augenblicklich in den Niederdrucklufttank 9 strömt, wenn das Entladeventil des Steuerventils 7 geöffnet wird.

Die Luftdrücke in dem Hochdrucktank 8 und dem Niederdrucktank 9 werden mittels Drucksensoren 8 a, 9 a erfaßt, welche dementsprechende Erfassungssignale übertragen. Diese Signale werden verwendet, um, wie unten beschrieben, den Betrieb beispielsweise eines Luftkompressors zu steuern, um die Luftdrücke in den Tanks innerhalb vorbestimmter Druckbereiche zu halten.

Wenn der Druck in dem Niederdrucklufttank 9 größer wird als ein vorgegebener Maximalwert, wird dies mittels des Drucksensors 8 a, 9 a erfaßt und das resultierende Erfassungssignal steuert die Kontrolleinheit 6 an, so daß diese einen Luftkompressor 10 startet, der dem Luftdrucktank 9 Luft entnimmt, diese Luft komprimiert und sie dem Hochdrucktank 8 zuführt. Wenn der Luftdruck in dem Niederdrucktank 9 unter einen vorbestimmten Wert fällt, stoppt die Kontrolleinheit 6, die in Abhängigkeit eines Signals von dem Drucksensor arbeitet, dem Kompressor 10.

Auch für den Fall, daß der Innendruck des Hochdrucktanks 8 unter einen vorbestimmten Minimalwert fällt, wird der Luftkompressor 10 angesteuert, so daß er arbeitet, bis der Innendruck des Hochdrucktanks 8 einen vorbestimmen Maximalwert erreicht, woraufhin der Luftkompressor 10 gestoppt wird. Wenn zu dieser Zeit der Innendruck des Niederdrucktanks 9 unter einen vorbestimmten Wert fällt, öffnet ein auf der Niederdruckseite angeordnetes Sperrventil 18 und der Luftkompressor wird so gesteuert, daß er nicht die Luft aus dem Niederdrucktank 9 sondern Luft aus der umgebenden Atmosphäre ansaugt.

Da sowohl der Hochdrucktank 8 als auch der Niederdrucktank 9 insofern im Gleichgewicht gehalten werden, als daß der jeweilige Druck innerhalb vorbestimmter Grenzen gehalten wird, bleibt das Absperrventil 18 geschlossen, wodurch ein geschlossener Luftkreislauf gebildet ist. Wenn jedoch Luft anfänglich in das System gelangt, wird das Absperrventil 18 geöffnet und die Drücke in dem Hochdruck- und dem Niederdrucktank 8 und 9 werden durch Einziehen von Atmosphärenluft auf einen vorbestimmten Wert gebracht und einander angeglichen.

Die von dem Luftkompressor 10 komprimierte Luft wird normalerweise über einen Trockner 17 dem Hochdrucktank 8 zugeführt. Wenn jedoch der auf den Druck in dem Niederdrucktank 9 reagierende Kompressor 10 die komprimierte Luft über den Trockner 17 dem Hochdrucktank 8 zuführt und sich ein Absperrventil 16 auf dem Trockner 17 öffnet und komprimierte Luft über einen Schalldämpfer (nicht gezeigt) aus dem Hochdrucktank 8 in die Atmosphäre entläßt, wenn der Druck in dem Tank 8 den vorbestimmten Maximalwert übersteigt, wird dadurch der Druck innerhalb des Hochdrucktanks 8 gesenkt und ein Trocknungsmittel, wie beispielsweise Kieselgel innerhalb des Trockners 17 wird regeneriert.

In dem Beispiel nach Fig. 1 wird der Luftkompressor 10 aus einem Öltank 11 mit Schmieröl versorgt, das als Gemisch aus Schmieröl und in den Kompressor 10 gegebene Luft zugeführt wird. Das mit der von dem Kompressor 10 gelieferten komprimierten Luft vermischte Schmieröl wird von dieser Luft mittels eines Ölabscheiders 12 getrennt und in den Öltank 11 zugeführt. Für den Fall, daß der Luftkompressor 10 kein Schmieröl benötigt, ist ein Schmierölkreislauf mit einem Öltank 11 und einem Ölabscheider 12 unnötig.

Der Luftkompressor 10 kann von jeder geeigneten Maschine, wie beispielsweise einem Fahrzeugmotor angetrieben werden, wobei die Leistung über Leistungsübertragungsteile, wie beispielsweise eine elektromagnetische Kupplung in Ein-Aus-Weise übertragen wird. Andere Antriebsmittel, wie beispielsweise Elektromotoren können ebenfalls Verwendung finden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Überwachung mittels der beschriebenen Überwachungseinheit 6 erläutert.

In Fig. 2 ist nur ein Überwachungskreis von insgesamt vier Überwachungskreisen für die einzelnen Aufhängungseinheiten oder -anordnungen gezeigt. Die Kontrolleinheit 6 umfaßt vier Überwachungskreise gemäß Fig. 2. Diese vier Überwachungskreise führen die Überwachung entsprechend den von dem Vertikal­ beschleunigungssensor 5 und dem Relativ-Verlagerungssensor 4 einer jeden Aufhängungsanordnung übertragenen Signalen und einem Soll- oder gegebenen Höhenpositionssignal, das von einem Höhenregulierschalter 13 festgelegt wird, aus, wodurch jede einzelne Aufhängungsanordnung unabhängig, wie nachstehend erläutert, überwacht wird.

Jeder Vertikalbeschleunigungssensor 5 erfaßt die Vertikalbeschleunigung der Karosserie bezüglich einer entsprechenden Aufhängungseinheit und erzeugt entsprechend der erfaßten Vertikalbeschleunigung ein Vertikalbeschleunigungssignal . Die Hochfrequenzkomponente dieses Signals wird mittels eines Tiefpaßfilters 5 a ausgeblendet oder abgesondert, und das resultierende Signal wird mit einem Verstärkungsfaktor G₁, welcher der Masse M der Karosserie entspricht, multipliziert, wodurch es in eine Befehlsströmung Q₁ gewandelt wird.

Jeder Relativ-Verlagerungssensor 4 erfaßt die Relativ- Verlagerung zwischen der Karosserie und dem entsprechenden Rad in vertikaler Richtung und erzeugt ein Vertikalverlagerungssignal V für die Karosserie in Übereinstimmung mit der erfaßten Relativ-Verlagerung. Von diesem Signal V wird ein Soll-Positionssignal V₀ abgezogen, das über einen Befehlskreis für die Sollhöhe mittels einer nachstehend beschriebeen Auswähloperation des Regulierschalters für die Fahrzeughöhe 13 ausgegeben wird, wodurch ein tatsächliches Relativ-Verlagerungssignal D aus der gegebenen Position erhalten wird. Dieses tatsächliche Relativ-Velagerungssignal D wird in zwei Teile geteilt, nämlich ein Signal für die tatsächliche Relativ-Verlagerungsgeschwindigkeit , das einen Differenzierkreis 4 a durchlaufen hat, und das tatsächliche Relativ-Verlagerungssignal D ohne Änderungen. Die Signale und D werden mit einem Vestärkungsfaktor G₂, der dem Dämpfungskoeffizienten C des beschriebenen Hilfsdämpfers 1 a entspricht, bzw. einem Verstärkungsfaktor G₃ multipliziert, der der Federkonstanten K₁ einer Hilfsfeder (nicht gezeigt) entspricht, wodurch diese Signale in Befehlsluftströmungen Q₂ und Q₃ gewandelt werden.

Bezeichnet man den Druck in der Luftkammer der Luft-Aufhängungseinheit 1 mit P und die tatsächliche Querschnittsfläche mit A, erhält man die folgende Bewegungsgleichung:

-M-C-KD + PA = 0 (1)

Dabei entsprechen M, C und KD den Befehlsluftströmungsmengen Q₁, Q₂ und Q₃. Einsetzen ergibt:

PA = Q₁ + Q₂ + Q₃ (2)

Demzufolge kann die Vibration durch Zuführung der gesamten Befehlsluftströmungsmenge Q, die sich aus der Addition der Befehlsluftströmungsmengen Q₁, Q₂ und Q₃ ergibt, unterdrückt werden.

Der Regelschalter für die Fahrzeughöhe 13 ist ein Wechselschalter, beispielsweise zum Umschalten von einer normalen Fahrzeughöhe auf eine vergrößerte Fahrzeughöhe. Wenn dieser Schalter 13 von der normalen Höhe auf die vergrößerte umgeschaltet wird, wird Luft in die Luftkammer der Luft-Aufhängungseinheit 1 eingespeist, wodurch die Kolbenstange bezüglich des Zylinderteils aufwärts gleitet und dadurch die Einheit 1 verlängert. Demzufolge wird die Höhe des Fahrzeugrahmenteils 2 bezüglich der Radachse um einen vorbestimmten Wert vergrößert. Die resultierende Höhe wird als Soll-Fahrzeughöhe genommen. Wenn der Regelschalter für die Fahrzeughöhe 13 von der vergrößerten Höhe auf die normale Höhe umgeschaltet wird, wird die Luft aus der Luftkammer entladen, wodurch die Luft-Aufhängungseinheit 1 sich verkürzt und die Höhe des Fahrzeugrahmenteils 2 bezüglich der Radachse auf die normale Soll-Fahrzeughöhe zurückgeführt wird.

Wird der relativ-Verlagerungssensor 4 derart gesetzt, daß er die Relativ-Verlagerung von einer normalen gegebenen Fahrzeughöhe als der Sollage erfaßt und der Regelschalter für die Fahrzeughöhe 13 auf vergrößerte Höhe gestellt ist, wird der aus der Subtraktion der Differenz zwischen der normalen Soll- Fahrzeughöhe und der vergrößerten Soll-Fahrzeughöhe von der karosserieseitigen Verlagerung resultierende Wert, welcher von dem Relativ-Verlagerungssensor 4 erfaßt wird, zu der tatsächlichen Relativ-Verlagerung, basierend auf der vergrößerten Soll-Fahrzeughöhe als der gegebenen Position.

Die beschriebene Regulierung der Fahrzeughöhe kann von einem automatischen Schalter in Abhängigkeit von einem Signal, wie einem von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs resultierenden Signal, an Stelle eines manuellen Schalters vorgenommen werden. Wenn das Fahrzeug keinen mit einem Schalter wie dem Regulierschalter 13 für die Fahrzeughöhe betriebenen Reguliermechanismus für die Fahrzeughöhe hat, ist offensichtlich, daß sich das Relativverlagerungssignal V aus dem Relativ-Verlagerungssensor 4 offensichtlich dem tatsächlichen Relativ-Verlagerungssignal D angleicht.

Die festgestellten Luftströmungsmengen Q₁, Q₂ und Q₃, die wie vorstehend beschrieben gewonnen werden, werden in einer Addierschaltung 14 zu einer Gesamtbefehlsluftströmungsmenge Q aufaddiert, welche einem Erzeugungskreis für ein Ventilsteuersignal 15 zugeführt wird, der entsprechende Ventilöffnungs- und schließsignale J oder K an das Strömungsmengensteuerventil 7 überträgt. So wird das Speise- oder das Entladeventil des Steuerventils 7 durchgehend geöffnet, und das Speisen oder Entladen von Luft in die oder aus der Luftkammer entsprechend der Gesamtbefehlsströmungsmenge Q wird ausgeführt.

Erfindungsgemäß arbeitet die Überwachung dergestalt, daß Luft aus der Luft-Aufhängungseinheit jedes einzelnen Rades entladen wird, wenn die Vertikalbeschleunigung der Karosserie nach oben gerichtet ist, und daß Luft in die Luft-Aufhängungseinheit eingespeist wird, wenn die Vertikalbeschleunigung abwärts gerichtet ist. Daher werden die Vertikalschwingungen der Karosserie gedämpft. Mit anderen Worten wird die Luft-Aufhängungseinheit 1 entsprechend der Eingabe betreffend die Straßenoberfäche "sanft" und wird so eingestellt, daß keine Schwingungen oder Vibrationen auf die Karosserie übertragen werden. Bezüglich der Lastverlagerung beispielsweise bei Kurvenfahrten oder plötzlichem Beschleunigen oder Abbremsen wird die Einheit so eingestellt, daß ein Rollen oder Neigen der Karosserie überwacht wird (d h. die wirksame Härte oder Steifigkeit der Luft-Aufhängungseinheit wird gesteigert).

Die Geschwindigkeit der vertikalen Relativ-Verlagerung und die vertikale Relativ-Verlagerung jeder Aufhängungsanordnung führen zum Entladen der Luft in der Luft-Aufhängungseinheit 1, wenn sie in der Richtung der Verlängerung der Luft-Aufhängungseinheit 1 liegen, und zu einem Einspeisen von Luft in die Luftkammer, wenn sie in der Richtung einer Verkürzung liegen, wodurch ein Zurückkehren von der Relativ- Verlagerung der Aufhängungsvorrichtung in die Soll- Position bewirkt wird.

Bezeichnet man die Masse oberhalb der Feder mit M _A , die Dämpfung mit C _A und die Federsteifigkeit mit K _A als generelle Basiswerte des Fahrzeugs, kann die Schwingung wie folgt beschrieben werden:

Die die Masse M _A oberhalb der Feder eines normalen Fahrzeugs fest ist, liegen die von der Änderung des Dämpfungskoeffizienten C _A und der Federsteifigkeit K _A abhängigen Änderungen der Schwingungscharakteristika innerhalb der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Bereiche.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Frequenzgangs der Dämpfung von den Dämpfungskoeffizienten. Steigt der Dämpfungskoeffizient, nimmt die Amplitude ab und die Dämpfung steigt im Niederfrequenzbereich (vgl. Dämpfungskoeffizient C₂) im Vergleich mit den herkömmlichen Dämpfungskoeffizienten C₁, jedoch steigt der Übertragungsgrad X/E (X: Vertikalverlagerung des Fahrzeugs, E: Vertikalverlagerung der Straßenoberfläche) im Hochfrequenzbereich und das Fahrtverhalten wird holperig. Wird der Dämpfungskoeffizient gesenkt, fällt der Übertragungsgrad in dem Hochfrequenzbereich (vgl. Kurve C₃) und das Fahrverhalten wird sanft. Im Niederfrequenzbereich wird die Amplitude groß und die Dämpfung gering.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit von der Federsteifigkeit K _A . Wird die Federsteifigkeit erhöht, steigt die Resonanzfrequenz ω _A (vgl. Kurve K₂) bezüglich der Resonanzfrequenz mit herkömmlicher Federsteifigkeit K₁. In dem Frequenzbereich mit dem größten Einfluß auf den Fahrkomfort (5 bis 8 Hz) ist der Übertragungsgrad hoch, wodurch das Fahrverhalten sehr holperig wird. Auch wird der Dämpfungsgrad gering. Auf der anderen Seite wird die Resonanzfrequenz klein (vgl. Kurve K₃), wenn die Federsteifigkeit gesenkt wird. In dem Bereich mit dem größten Einfluß auf den Fahrkomfort ist die Übertragungsrate klein und die Schwingungsabsorbierung gut, wodurch der Dämpfungsgrad gestärkt wird und die Konvergenz gut ist. Wenn jedoch der Hub der Aufhängungsanordnung extrem groß wird, kann sie, wie eine lange Aufhängungsanordnung nicht mehr in ein herkömmliches Fahrzeug eingebaut werden.

Bei der Praktizierung der Erfindung wird die Federsteifigkeit K _A dann, wenn die Vertikalverlagerung der Masse oberhalb einer jeden Feder gering ist und keine Regelung des Aus- und Einströmens von Luft aus der und in die Aufhängungseinheit ausgeführt wird, einem Wert in der Größenordnung des normalen Werts in einem herkömmlichen Fahrzeug angeglichen und gleichzeitig der Dämpfungskoeffizient des Hilfsdämpfers 1 a auf einen Wert gesetzt, der geringer ist als der Normalwert. Dann nimmt die Vibrationskennlinie die Form der Kurve in Fig. 5 an, was einem schwebenden oder schwimmenden Fahrgefühl, also gutem Fahrkomfort entspricht.

Wenn aber die Vertikalverlagerung der Masse oberhalb der Feder groß ist und die Aus- und die Einströmung von Luft aus der bzw. in die Aufhängungseinheit geregelt wird, wird die natürliche Vibrationsfrequenz ω₀ auf einen Wert gesetzt, der kleiner ist als der Normalwert ω _A und der Dämpfungsgrad ζ₀ wird auf einen Wert eingestellt, der größer ist als der Normalwert z _A , wodurch eine Vibrationscharakteristik gemäß der Kurve in Fig. 5 erzielt wird. Gleichzeitig werden die Verstärkungen G₁, G₂ und G₃ so festgelegt, daß die wirksame Federsteifigkeit K₀ größer wird als der Normalwert K _A , so daß bezüglich der auf die Karosserie wirkenden Kraft die Karosserieverlagerung vermindert wird.

In diesem Zusammenhang beschränkt das Tiefpaßfilter 5 a im Hochfrequenzbereich die Regelung durch Ausströmung und Einströmung von Luft erheblich, weil dort der Hilfsdämpfer 1 a die Vibrationen dämpft.

Durch diese Maßnahmen wird der Übertragungsgrad klein und das Fahrgefühl über einen zweiten Frequenzbereich sanft. Gleichzeitig wird durch Vergrößern der Federsteifigkeit K₀ < K _A ) der Aufhängungshub im Niederfrequenzbereich innerhalb eines Bereichs gehalten, indem er nicht sehr groß wird, und eine ideale Aufhängungscharakteristik ohne schwimmendes Fahrgefühl kann erreicht werden.

In den Beispielen von Fig. 2 ist ein Hochpaßfilter (nicht gezeigt) zum Eliminieren der Niederfrequenzkomponente in der Größenordnung von 0,1 Hz oder weniger beispielsweise in Serie mit dem Tiefpaßfilter 5 a in dem Eingabekreis des Vertikalbeschleunigungssensors 5 vorgesehen. Die Regelung durch Einspeisen oder Abführunge von Luft basierend auf einer Vertikalbeschleunigung mit einem flachen Neigungswinkel wird mittels des Hochpaßfilters verhindert.

Ferner kann in dem Beispiel nach Fig. 2 ein Tiefpaßfilter in dem Eingangskreis des Relativ-Verlagerungssensors 4 vorgesehen sein, um den Hochfrequenzbereich abzutrennen. Da jedoch die Amplitude der Vertikalverlagerung im Hochfrequenzbereich klein ist und deshalb geringe Mengen Luft eingespeist und abgeführt werden, gibt es praktisch keine Nachteile, wenn solch ein Tiefpaßfilter nicht vorgesehen ist.

Das beschriebene Beispiel erläutert die Anwendung der Erfindung auf ein Luft-Aufhängungssystem, in dem Luft als Feder verwendet wird. Wenn jedoch der geschlossene Luftkreislauf so ausgelegt ist, daß das Gleichgewicht zwischen eingespeister und abgeführter Luft weitestgehend gehalten wird, und somit nicht das Bedürfnis besteht, dem geschlossenen Kreis Luft zuzuführen oder Luft aus dem Kreis abzuführen, kann auch ein anderes Gas in dem Kreis verwendet werden. Desweiteren bezieht sich das beschriebene Beispiel auf einen Fall, in dem ein Strömungsmengensteuerventil verwendet wird. Jedoch kann in einer anderen möglichen Anordnung auch ein Drucksteuerventil zusätzlich zu dem Strömungsmengensteuerventil verwendet werden und die Überwachungseinheit die festgelegte Menge des Gases, das eingespeist oder abgeführt werden soll, aus dem Vertikalbeschleunigungssignal, dem Geschwindigkeitssignal für die vertikale Relativ- Verlagerung und dem vertikalen Relativ-Verlagerungssignal ermitteln. Dann wird ein Signal zum veränderlichen Regeln des drucksetzenden Wertes des Drucksteuerventils erzeugt und so übertragen, daß Gas in gewünschter Menge eingespeist oder abgeführt wird.

Die Erfindung ist ferner in einem Fahrzeug mit hydropneumatischer Aufhängung verwendbar. In diesem Fall wird das Einspeiseventil oder das Entladeventil des Durchflußmengensteuerventils entsprechend einem Ventilöffnungs/-schließsignal aus der Kontrolleinheit geöffnet. Somit wird die Regelung derart vorgenommen, daß auf einem bestimmten Druck innerhalb eines Akkumulators gehaltenes Öl mittels einer Ölpumpe in einen Ölzylinder der Aufhängungsanordnung eingespeist oder das Öl aus dem Ölzylinder der Aufhängungsanordnung in ein Reservoir abgelassen wird. Auch in diesem Fall entsprechen die Berechnungen der bestimmten Durchflußmenge des Einspeise- oder Entladevorgangs entsprechend der Kontrolleinheit, die Öffnungs/Schließ-Steuerung des Flußmengensteuerventils auf der Basis der so ermittelten Durchflußmenge, die Funktionsfähigkeit aufgrund dieser Überwachung und anderes dem beschriebenen Aufhängungssystem.

Gemäß einer weiteren in Fig. 6 gezeigten Ausführung der Erfindung wird die Vertikalbeschleunigung der Karosserie mittels des Vertikalbeschleunigungssensors 5 erfaßt und das resultierende Vertikalbeschleunigungssignal wird einem Hochpaßfilter HPF zugeführt, in dem der Niederfrequenzbereich (z. B. der Bereich in der Größenordnung von 0,1 Hz oder darunter) ausgeblendet wird. Das resultierende Signal wird dann einem Tiefpaßfilter LPF₁ zugeführt, wo der Hochfrequenzbereich in der Größenordnung von 4 bis 5 Hz ausgeblendet wird. Das resultierende Signal wird mit einem der fahrzeugseitigen Masse M entsprechenden Verstärkungsfaktors G₁ multipliziert und dadurch in eine bestimmte Strömungsmenge Q₁ gewandelt.

Der relative Verlagerungssensor 4 erfaßt die relative Verlagerung der Karosserie bezüglich dem entsprechenden Rad und erzeugt ein entsprechendes vertikales Verlagerungssignal für das Fahrzeug V. Von dem Signal V wird ein Soll-Positionssignal V₀ subtrahiert, das von einem Befehlskreis für eine Soll-Position 13 A in Übereinstimmung mit der Auswahl eines Fahrzeughöhen- Regulierschalters 13 ausgegeben worden ist, der nachstehend beschrieben wird. So wird ein tatsächliches Relativ-Verlagerungssignal D erhalten, das die tatsächliche Relativ-Verlagerung von der Soll-Position darstellt, und dieses Signal wird durch ein Tiefpaßfilter LPF₂ geleitet, wo sein Hochfrequenzbereich in der Größenordnung von beispielsweise 4 bis 5 Hz ausgeblendet wird. Das resultierende Signal wird dann in ein tatsächliches Geschwindigkeitssignal für die Relativ-Verlagerung , welches einen Differenzierkreis 4 a passiert hat, und ein tatsächliches Relativ-Verlagerungssignal D geteilt, welches dem ursprünglichen entspricht. Die Signale und D werden dann mit Verstärkungsfaktoren G₂ bzw. G₃ multipliziert und in bestimmte Durchflußmengen Q₂ und Q₃ gewandelt. Der Verstärkungsfaktor G₂ entspricht in diesem Fall dem Dämpfungskoeffizienten C des Hilfsdämpfers 1 a, während der Verstärkungsfaktor G₃ der Federkonstanten K einer Hilfsfeder (hier nicht gezeigt) entspricht.

Die die Hochfrequenzkomponente bezüglich der Relativ- Verlagerung von kleiner Größenordnung ist, ist der Betrieb zur Regelung des Luft-Aufhängungssystems auch ohne das Tiefpaßfilter LPF₂ möglich.

Die wie vorstehend beschriebenen erhaltenen Befehlsluftströmungsmengen Q₁, Q₂ und Q₃ werden in einem Addierkreis 14 aufaddiert, der eine Gesamtbefehlsluftströmungsmenge Q ausgibt, welche in den Steuersignalerzeugungskreis 15 für das Ventil eingegeben wird. Der Kreis 15 gibt das Signal an das Steuerventil 7 und entweder das Einspeise- oder das Abführventil des Steuerventils 7 wird geöffnet. Dadurch wird entweder Luft in die Luftkammer eingespeist oder aus der Luftkammer abgeführt, wobei die Menge der Luft der beschriebenen Gesamtbefehlsströmungsmenge Q entspricht.

Bezüglich des fahrzeugseitigen Eingangs, wie der Lastverschiebung, wirken die Regelungen die in Abhängigkeit von Signalen von dem Vertikalbeschleunigungssensor 5 und dem Relativ-Verlagerungssensor 4 betrieben werden, in derselben Richtung, und die Regelung zum durchgehenden Halten der Karosserie in horizontaler Lage wird unterstützt.

Bei dem beschriebenen Regelungsvorgang wird Luft aus der Luft-Aufhängung abgeführt, wenn die Vertikalbeschleunigung aufwärts gerichtet ist, und in die Luft-Aufhängung eingespeist, wenn die Vertikalbeschleunigung nach unten gerichtet ist. Wird das Abführen von Luft fortgesetzt, wenn das Fahrzeug beginnt, bergauf zu fahren, so daß eine Aufwärtsbeschleunigung auftritt, oder das Abführen von Luft bei Bergabfahrten fortgesetzt, wird sich diese Art der Regelung nachteilig auswirken. Da die Frequenz der Vertikalbeschleunigung aufgrund der Neigung der Straßenoberfläche beim Bergauffahren wesentlich kleiner ist als die Vertikalbeschleunigungsfrequenz aufgrund einer holprigen Straßenoberfläche, wird das beschreibene Problem durch Zwischenschalten eines Hochpaßfilters HPF in den Signalkreis des Vertikalbeschleunigungssensors 5 gelöst, um den Signalbereich sehr niedriger Frequenzen auszublenden.

Erfindungsgemäß sind deshalb die Tiefpaßfilter LPF₁ und LPF₂ zum Herausfiltern der Hochfrequenzkomponenten der Erfassungssignale des Vertikalbeschleunigungssensors 5 bzw. des Relativ-Verlagerungssensors 4 vorgesehen und gleichzeitig ein Hilfsdämpfer 1 a in die Luft-Aufhängungseinheit 1 eingebaut. Dadurch wird die Steuerung des Abführens und Einspeisens von Luft in Abhängigkeit von Vibrationen mit hohen Frequenzen oberhalb der Größenordnung von 4 bis 5 Hz unterbrochen und Vibration dieses Frequenzbereiches werden mittels des Hilfsdämpfers 1 a mit geringer Dämpfung und der Luftfedercharakteristik der Luft-Aufhängungseinheit 1 mit geringem Schwingungsübertragungsgrad gedämpft. Vibrationen oder Schwingungen in dem unteren Frequenzbereich in der Nähe der natürlichen Frequenz oberhalb der Feder werden mittels der Regelung des Abführens und Einspeisens von Luft aus der bzw. in die Aufhängungsanordnung entsprechend den Befehlen aus der Kontrolleinheit 6 wie beschrieben unterdrückt. Demzufolge werden Stoßen, Neigen und Rollen, die bei Frequenzen in der Nähe von beispielsweise 1 bis 2 Hz auftreten, reduziert und einem schwimmenden Fahrgefühl, das solcherlei Bewegungen begleitet, wird vorgebeugt, so daß der Fahrkomfort des Fahrzeugs merklich verbessert wird.

Durch das Eliminieren der Regelung der Luftabführung und -einspeisung in die bzw. aus der Luft-Aufhängungsanordnung zum Unterdrücken von Vibrationen in Hochfrequenzbereich wird die erforderliche Luftströmung erheblich gesenkt und kann ausgezeichnet von einem Luftkompressor mit geringer Kapazität erzeugt werden, wodurch die Kosten für die Anlage und die Betriebsenergiekosten merklich gesenkt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln aus auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (5)

1. Aktive Aufhängung für ein Fahrzeug mit einer Karosserie und mehreren Rädern, gekennzeichnet durch:

• - eine Fluid-Aufhängungseinheit (1), die an einem Ende an jede der Radachsen und an dem anderen Ende an die Karosserie gekoppelt und mittels eines Fluids betrieben ist, das in die Aufhängungseinheit (1) eingespeist oder aus ihr abgeführt werden kann, um eine Dämpfung und eine Federung zwischen der Karosserie und der Radachse zu erzeugen, wobei die Karosserie durch den Druck des Fluids getragen ist;
• - einen Vertikalbeschleunigungssensor (5) zum Erfassen einer vertikalen Beschleunigung der Masse oberhalbt der Aufhängungseinheit (1) infolge der Federwirkung derselben und zum Erzeugen eines entsprechenden vertikalen Beschleunigungssignals ();
• - einen Relativ-Verlagerungs-Sensor (4) zum Erfassen der vertikalen relativen Verlagerung der Massen oberhalb und unterhalb einer jeden Aufhängungseinheit (1) infolge der Federwirkung derselben und zum Erzeugen eines entsprechenden Vertikalrelativverlagerungs-Signals (V);
• - Differenziermittel (4 a) zum Differenzieren des Vertikalrelativverlagerungs-Signals (V), um ein Signal für die relative Vertikalverlagerungsgeschwindigkeit () zu erhalten;
• - eine Überwachungseinheit (6), welche auf das Vertikalbeschleunigungs-Signal (), das Vertikal- relativverlagerungs-Signal (V) und das Signal für die Geschwindigkeit der vertikalen Relativerlagerung () reagiert, um die Menge des in die Aufhängungseinheit (1) einzuspeisenden oder aus derselben abzuführenden Fluids zu berechnen und ein entsprechendes Ventilsteuersignal (J, K) zu erzeugen;
• - ein Steuerventil (7), das auf das Ventilsteuer- Signal (J, K) reagiert, um das Einspeisen von Fluid in die Aufhängungseinheit (1) oder das Abführen aus derselben zu steuern; und
• - Mittel zum Einspeisen des Fluids über das Steuerventil (7) unter Druck in die Aufhängungseinheit (1) und zum Abführen des Fluids aus derselben über das Steuerventil (7),

wobei die Dämpf- und Federwirkung einer jeden Aufhängungseinheit (1) automatisch entsprechend dem Lastzustand geregelt ist, wie er von den Sensoren (4, 5) der Aufhängungseinheit (1) erfaßt wird, und die gesamte Fahrzeugkarosserie somit dem Fahrkomfort dienend stabil gehalten ist.

2. Aufhängung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hilfsdämpfer (1 a) mit geringer Dämpfung in jeder Aufhängungseinheit (1), der prinzipiell die Vibrationen mit hohen Frequenzen dämpft, und ein Tiefpaßfilter (5 a) zum Filtern des Vertikalbeschleunigungs-Signals (), um die Hochfrequenzkomponenten dieses Signals vor dessen Übertragung an die Überwachungseinheit (6) abzusondern, wobei die Überwachungseinheit (6) und das Steuerventil (7) das Einspeisen des Fluids in die und das Abführen desselben aus der Aufhängungseinheit (1) im Bereich relativ niederfrequenter Vibrationen regeln, während hochfrequente Vibrationen von dem Hilfdämpfer (1 a) gedämpft und absorbiert werden, der in Verbindung mit der Dämpf- und der Federwirkung des Fluids in der Aufhängungseinheit (1) arbeitet.

3. Aufhängung nach Anspruch 1, gekennzichnet durch einen Hilfsdämpfer (1 a), mit geringer Dämpfung in jeder Aufhängungseinheit (1), der prinzipiell relativ hochfrequente Vibrationen dämpft, und ein Tiefpaßfilter (5 a) zum Filtern des Vertikalbeschleunigungs-Signals () und des Relativverlagerungs-Signals (V), um deren hochfrequente Komponenten vor der Übertragung der genannten Signale (, V) an die Überwachungseinheit (6) zu filtern, wobei die Überwachungseinheit (6) und das Steuerventil (7) das Einspeisen des Fluids in die Aufhängungseinheit (1) und das Abführen daraus bezüglich der Vibrationen oder Schwingungen mit niedrigen Frequenzen, einschließlich solcher in der Nähe natürlicher Vibrationsfrequenzen des Fahzeugs regeln, während hochfrequente Vibrationen von dem Hilfsdämpfer (1 a) gedämpft und absorbiert werden, der in Verbindung mit der Dämpf- und der Federwirkung des Fluids in der Aufhängungseinheit (1 a) arbeitet.

4. Aufhängung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen Regelschalter (13) für die Fahrzeughöhe zum Auswählen und Festlegen einer Foll- oder gegebenen Karosseriehöhe und zum Erzeugen eines entsprechenden Ausgangssignals und eine Soll-Position-Befehlsschaltung (13 a), die auf das Ausgangssignal reagiert, inde sie ein Soll-Positions-Signal (V₀) für jede Aufhängungseinheit (1) erzeugt, wobei das Soll-Positions-Signal (V₀) von dem vertikalen Relativverlagerungs-Signal (V) abgezogen wird, um ein tatsächliches Relativverlagerungs-Signal (D) zu erhalten, das zum einen als vertikales Relativverlagerungs-Signal (D) an die Überwachungseinheit (6) und zum anderen an die Differenziermittel (4 a) gegeben wird, wo es in das Geschwindigkeitssignal der vertikalen Relativverlagerung () gewandelt wird.