Die Erfindung betrifft ein aktives Federungssystem für
Kraftfahrzeuge od. dgl. mit den Rädern zugeordneten
Istwertgebern, welche jeweils ein den Abstand zwischen
Fahrzeugaufbau und Rad wiedergebendes Signal erzeugen
und einem Rechner zuführen, sowie mit den Rädern zugeord
neten Feder- bzw. Abstützaggregaten, deren Abstützkräfte
und/oder den Hubbewegungen der Räder entgegenwirkende
Widerstände vom Rechner gesteuert werden, wobei der
Rechner aus den Signalen der Istwertgeber jeweils einen
Istwert des gemittelten Bodenabstandes, einen Istwert des
gemittelten Wankwinkels sowie einen Istwert des gemittelten
Nickwinkels des Fahrzeugaufbaus bestimmt und die Feder- bzw.
Abstützaggregate in Abhängigkeit von den Abweichungen dieser
Istwerte von vorgegebenen bzw. vorgebbaren Sollwerten an
steuert.
Bei herkömmlichen passiven Federungssystemen von Kraftfahrzeugen hängt der Wert
der Abstützkräfte nur von den Hubstellungen der
Räder ab, d. h. die von einem Federaggregat erzeugte Abstütz
kraft wächst mit geringer werdendem Abstand zwischen dem
jeweiligen Rad und dem Aufbau des Fahrzeuges an.
Zusätzlich aus der Wirkung von Schwingungsdämpfern wirksam werdende
Widerstände gegen Hubbewegungen der Räder gegenüber dem Fahrzeugaufbau
sind eine Funktion der Geschwindigkeit dieser Hubbewegungen. Trotz des
hohen Entwicklungsstandes passiver Federungssysteme bleibt
es unvermeidbar, daß bei der Abstimmung Kompromisse einge
gangen werden müssen. Wird beispielsweise die Federung im
Hinblick auf einen hohen Komfort weich abgestimmt, so wird
sich der Fahrzeugaufbau bei schneller Kurvenfahrt vergleichs
weise stark zur Kurvenaußenseite hin neigen. Bei Kurvenfahrt
treten also größere Wankwinkel auf. Zwar besteht die Möglich
keit, die Wankwinkel durch Anordnung von Stabilisatoren zu
vermindern, welche beim Einfedern eines Rades das entspre
chende Rad auf der anderen Fahrzeugseite ebenfalls in
Einfederrichtung zu drängen suchen, so daß auch die Feder
aggregate auf der Kurveninnenseite zur Abstützung der Räder
auf der Kurvenaußenseite herangezogen werden. Derartige
Stabilisatoren beeinträchtigen jedoch den Federungskomfort,
wenn das Fahrzeug nur mit den Rädern einer Fahrzeugseite
über Bodenunebenheiten fährt oder wenn schräg zur Fahrt
richtung verlaufende Bodenwellen überfahren werden.
Die DE 34 08 292 A1 zeigt nun ein aktives Federungssystem,
bei dem die Tatsache ausgenutzt wird, daß jede Bewegung
des Fahrzeugaufbaus eine Kombination aus einer reinen
Hubbewegung relativ zu einer Bezugsebene sowie einer
Rotation um die Fahrzeuglängsachse (Wankbewegung) und einer
Rotation um die Fahrzeugquerachse (Nickbewegung) darstellt.
Gemäß der DE 34 08 292 A1 werden diese Bewegungskomponenten
separat analysiert, wodurch die Möglichkeit geboten wird,
die Abstütz- bzw. Federaggregate bei Veränderungen der
Hubstellungen der Räder unterschiedlich anzusteuern, je
nachdem, ob die Veränderungen der Radstellung durch eine
reine Wankbewegung oder eine reine Nickbewegung bzw. eine
reine Hubbewegung des Aufbaus oder durch unterschiedliche
Kombinationen dieser Bewegungskomponenten bewirkt wurde.
Dadurch wird gleichzeitig die Möglichkeit geboten,
bei unterschiedlichen Bewegungstypen des Fahrzeugaufbaus
unterschiedlich mittels der Feder- bzw. Abstützaggregate
gegenzusteuern. Insbesondere ist es beispielsweise
möglich, Hubbewegungen des Fahrzeugaufbaus zur Erzielung
eines guten Komforts vergleichsweise weich abzufedern,
während Wank- und Nickbewegungen im Hinblick auf ein
sicheres Fahrverhalten wesentlich stärker entgegengewirkt
wird. So kann erreicht werden, daß sich das Fahrzeug,
trotz weicher Abstimmung der Federung gegenüber Hubbewe
gungen, bei Kurvenfahrt nur wenig zur Kurvenaußenseite
hin neigt. Da Nick- und Wankbewegungen des Fahrzeuges
weitestgehend verhindert werden können, treten nur geringe
Nick- und Wankwinkel auf, d. h. der jeweils zur Verfügung
stehende Federweg eines Rades wird kaum durch Schräglagen
des Fahrzeugaufbaus bezüglich der Ebene der Fahrbahn
beeinträchtigt.
Damit wird die Möglichkeit geboten, die
Federung gegenüber Hubbewegungen sehr komfortabel abzu
stimmen, weil der zur Verfügung stehende Federweg durch
Nick- bzw. Wankbewegungen des Fahrzeuges nur unwesentlich
eingeschränkt werden kann. Des weiteren wird der Vorteil
erreicht, daß die Radaufhängungen praktisch nur Bewegungen
nahe ihrer Optimallage ausführen und somit kein durch die
Einfederungskinematik verursachtes Eigenlenkverhalten des
Fahrzeuges auftreten kann.
Aus der DE 34 08 292 A1 kann außerdem entnommen werden,
daß ein die an den Abstützaggregaten einzustellenden
Stützkräfte wiedergebender Stützkraftvektor eine Komponente
aufweist, die - bei unabhängiger Vorgabe der Dämpfungs
charakteristik - die Dämpfung der Radbewegungen bestimmt.
Ein in Hinblick auf Komfort und Fahrsicherheit optimales
Dämpfungskonzept wird nicht aufgezeigt.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, dieses an sich vorteilhafte
Federungssystem hinsichtlich des Komforts sowie der Boden
haftung der Räder und damit auch hinsichtlich der Fahrsicher
heit noch weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Rechner weiter aus den Signalen der Istwertgeber Radstellungen
bzw. Radbewegungen ermittelt, bei denen das eine Vorderrad
sowie das diagonal gegenüberliegende Hinterrad gleichzeitig
einfedern, während das andere Vorderrad und das diesem
diagonal gegenüberliegende andere Hinterrad gleichzeitig
ausfedern, und die Feder- bzw. Abstützaggregate im Sinne
einer Dämpfung ansteuert, deren Wert von diesen Radstellungen
bzw. Radbewegungen abhängt, solange diese ohne Einfluß auf
die Mittelwerte des Bodenabstandes, des Wankwinkels sowie des
Nickwinkels sind.
Durch die Erfindung läßt sich eine besonders komfortable
Abstimmung des Federungssystems erreichen. Dazu wird die
Erkenntnis genutzt, daß bei einem aktiven Federungssystem, bei
dem die Nick-, Wank- und Hubbewegungen des Fahrzeugaufbaus
je für sich ermittelt werden, grundsätzlich auch die
Möglichkeit besteht, ganz allgemein auch solche Radbewegungen separat zu
erfassen, welche weder den Wank- oder
Nickwinkel noch die Hubstellung des Fahrzeugaufbaus gegenüber
der Fahrbahnoberfläche verändern.
Durch die Erfindung wird nun die Möglich
keit geboten, derartigen Radbewegungen, welche die Boden
haftung der Räder - z. B. im Bereich der Radaufhängungs-Eigenfrequenz
in Verbindung mit Unwuchten oder geometrischen Unregelmäßigkeiten
des Rades - stark beeinträchtigen können, selektiv
an einzelnen Radaufhängungen
entgegenzuwirken und so die Bodenkontaktkräfte
der Räder insgesamt zu vergleich
mäßigen. Damit kann die Abstimmung des Federungs
systems dauernd komfortbetont bleiben.
Dementsprechend kann bei der Erfindung mit einem besonders
sicheren und gut beherrschbaren Fahrverhalten auch in
Extremsituationen gerechnet werden.
Als gemittelter Bodenabstand können der Mittelwert der
Abstände aller Räder gegenüber dem Fahrzeugaufbau bzw.
eine damit korrelierte Größe verwendet werden. Als gemittel
ter Nickwinkel können die Differenz zwischen dem Mittelwert
der Abstände der Vorderräder vom Fahrzeugaufbau und dem
Mittelwert der Abstände der Hinterräder vom Fahrzeugaufbau
oder eine mit dieser Differenz korrelierte Größe dienen.
Als gemittelter Wankwinkel sind die Differenz zwischen
dem Mittelwert der Abstände der rechten Räder vom Fahrzeug
aufbau und dem Mittelwert der Abstände der linken Räder vom
Fahrzeugaufbau oder eine mit dieser Differenz korrelierte
Größe geeignet.
Werden die oben aufgeführten Mittelwerte
verwendet, so wird die Lage des Fahrzeuges relativ zu einer
Bezugsebene bestimmt, die parallel zu zwei Geraden ist, von
denen die eine die Radaufstandsbereiche des rechten Vorder
rades sowie des linken Hinterrades und die andere die Rad
aufstandsbereiche des linken Vorderrades und des rechten
Hinterrades durchsetzt.
Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der
Erfindung auf den Unteranspruch sowie die nachfolgende
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der
Zeichnung verwiesen.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines
Personenkraftwagens mit dem erfindungsgemäßen
Federungssystem und
Fig. 2 ein Schnittbild eines Feder- bzw. Abstütz
aggregates.
Die Räder des Fahrzeuges sind mittels hydraulischer Feder-
und Abstützaggregate 10, welche als Kolben-Zylinder-Aggregate
ausgebildet sind, gegenüber dem Fahrzeugaufbau abgestützt.
Als hydraulische Druckquelle dient eine vom Fahrzeugmotor
angetriebene Pumpe 8, welche saugseitig mit einem Reservoir 7
für Hydrauliköl verbunden ist und druckseitig an einen Ver
teiler 9 angeschlossen ist, von dem aus Druckleitungen zu
den Feder- und Abstützaggregaten 10 führen, die des
weiteren über Entlastungsleitungen mit dem Reservoir 7
verbunden sind. Die Zufuhr von Hydraulikmedium in die
Feder- und Abstütz
aggregate sowie die Abfuhr von Hydraulikmedium aus diesen
Aggregaten wird über jeweils an den Feder- und Abstütz
aggregaten 10 angeordnete Ventilanordnungen 11 gesteuert,
die ihrerseits mittels eines Rechners bzw. Mikroprozessors 5
betätigt werden, der eingangsseitig mit den Rädern des Fahr
zeuges zugeordneten Weggebern 2 verbunden ist. Die Weggeber 2
erzeugen Signale, welche die jeweilige Hubstellung der Räder
relativ zum Fahrzeugaufbau wiedergeben. Des weiteren kann
der Rechner bzw. Mikroprozessor 5 eingangsseitig mit Rad
beschleunigungsgebern 1 und/oder Aufbaubeschleunigungsgebern
3 verbunden sein. Außerdem kann noch ein manuell betätigbarer
Befehlsgeber 6 vorgesehen sein, um dem Fahrer Eingriffe in
die Steuerung des Federungssystems zu ermöglichen. Die Steuer
befehle des Rechners bzw. Mikroprozessors 5 für die Ventil
anordnungen 11 bzw. die den Rechner bzw. Mikroprozessor 5
zuzuführenden Signale der Geber 1 bis 3 werden über ein
Datennetz weitergegeben, welches zumindest teilweise Daten
busleitungen 4 aufweist.
Die Abstützaggregate 10 sowie die Ventilanordnungen 11 sind
in Fig. 2 etwas konstruktiver dargestellt.
Jedem Rad 12 kann ein als Kolben-Zylinder-Aggregat ausgebil
detes Abstützaggregat 10 zugeordnet sein, welches jeweils
eine oberhalb des Kolbens 13 angeordnete Kammer 14 sowie
eine unterhalb des Kolbens 13 angeordnete Kammer 15 besitzt.
Der Druck in der Kammer 14 sucht den Kolben 13 in Fig. 2
nach unten zu schieben, während der Druck in der Kammer 15
in entgegengesetzter Richtung wirkt. Bei Druckgleichheit in
den Kammern 14 und 15 wird der Kolben 13 nach unten gedrängt,
weil die vom Druck in der Kammer 15 beaufschlagte Stirnfläche
des Kolbens 13 aufgrund der Kolbenstange 16 kleiner ist als
die vom Druck in der Kammer 14 beaufschlagte Stirnfläche des
Kolbens 13. Die Kammern 14 und 15 sind miteinander über eine
Leitung 17, in der gegebenenfalls ein bei Strömung in Rich
tung der Kammer 15 öffnendes Rückschlagventil angeordnet sein
kann, verbunden. An die Leitung 17 ist eine mit der Druckseite
der Pumpe 8 bzw. dem Verteiler 9 (vgl. Fig. 1) verbundene
Druckleitung 18 angeschlossen (und zwar zwischen dem gege
benenfalls in der Leitung 17 angeordneten Rückschlagventil
und der Kammer 14). Außerdem zweigt von der Leitung 17
(und zwar zwischen dem gegebenenfalls darin angeordneten
Rückschlagventil und der Kammer 15) eine Entlastungsleitung
19 ab. Die Zufuhr von Druckmedium über die Druckleitung 18
bzw. die Abfuhr von Druckmedium über die Entlastungsleitung
19 werden durch Ventile 20 und 21 der Ventilanordnung 11
gesteuert. Diese Ventile sind bevorzugt als Drosselventile
mit stufenlos steuerbarem Drosselwiderstand ausgebildet.
Durch entsprechende Steuerung der Ventile 20 und 21 kann
der Druck in den Kammern 14 und 15 innerhalb konstruktiv
vorgegebener Grenzen variiert werden. In diesem Zusammenhang
ist anzumerken, daß hohe Werte des Druckes in den Kammern 14
und 15 insbesondere dann, wenn das jeweilige Rad 12 einzu
federn sucht, durch kurzzeitiges Schließen der Ventile 20
und 21 bzw. durch Schließen des Ventiles 20 und starke
Drosselung des Ventiles 21 eingestellt werden können.
Das dargestellte System arbeitet in der folgenden Weise:
Die Signale der Weggeber 2 sind ein Maß für den Abstand der
Räder bzw. der Radachsen vom Fahrzeugaufbau und dementspre
chend auch ein Maß für den Abstand des Fahrzeugaufbaus
vom Boden im Bereich des jeweiligen Rades. Aus den Signalen
der Weggeber 2 kann der Rechner bzw. Mikroprozessor 5
nunmehr einen mittleren Bodenabstand bestimmen, beispiels
weise indem der Mittelwert der von den Weggebern 2 an den
vier Rädern des Fahrzeuges gemessenen Bodenabstände gebildet
wird. Veränderungen des mittleren Bodenabstandes zeigen also
an, daß das Fahrzeug relativ zum Boden eine Hubbewegung in
der einen oder anderen Richtung ausführt.
Des weiteren kann aus den Signalen der Weggeber 2 ein
mittlerer Nickwinkel bestimmt werden, beispielsweise indem
zunächst der Mittelwert der Bodenabstände an den Vorderrädern
und der Mittelwert der Bodenabstände an den Hinterrädern
ermittelt werden und sodann die Differenz dieser Mittelwerte
bestimmt wird. Zeitliche Änderungen dieser Differenz zeigen
dann an, daß der Fahrzeugaufbau relativ zum Boden Nick
schwingungen, d. h. Drehbewegungen um die Fahrzeugquerachse
in der einen oder anderen Richtung, ausführt.
Des weiteren kann aus den Signalen der Weggeber 2 ein
Mittelwert des Wankwinkels bestimmt werden. Dazu werden
der Mittelwert der Bodenabstände des Fahrzeugaufbaus an
den Rädern der rechten Seite und der Mittelwert der Boden
abstände an den Rädern der linken Fahrzeugseite gebildet
und sodann die Differenz dieser Mittelwerte bestimmt.
Zeitliche Änderungen dieser Differenz zeigen an, daß das
Fahrzeug Wankbewegungen ausführt, d. h. Drehungen um die
Fahrzeuglängsachse in der einen oder anderen Richtung.
Die auf diese Weise bestimmten Nick- und Wankwinkel haben
gleichzeitig den Wert Null, wenn der Fahrzeugaufbau etwa
parallel zu einer Ebene ausgerichtet ist, die ihrerseits
parallel zu einer die Radaufstandspunkte des rechten Vorder
rades und des linken Hinterrades verbindenden geraden Linie
sowie parallel zu einer die Radaufstandspunkte des linken
Vorderrades und rechten Hinterrades verbindenden geraden
Linie ist.
Der Rechner bzw. Mikroprozessor 5 registriert nun
jeweils den mittleren Bodenabstand, den mittleren
Wankwinkel sowie den mittleren Nickwinkel bzw. die
zeitliche Veränderung dieser Größen. Dies ist gleich
bedeutend damit, daß der Rechner bzw. Mikroprozessor
jede Bewegung des Fahrzeugaufbaus relativ zum Boden
in eine Hubbewegung, eine Wankbewegung sowie eine Nick
bewegung zerlegt. Damit wird die Möglichkeit geschaffen,
den unterschiedlichen Bewegungsarten des Fahrzeugaufbaus
in unterschiedlicher Weise, d. h. insbesondere mit unter
schiedlicher Progressivität, entgegenzusteuern.
Beispielsweise besteht die Möglichkeit, gegenüber Hub
bewegungen ein weiches Federungsverhalten zu erreichen,
während das Federungsverhalten gegenüber Nick- und Wank
bewegungen deutlich härter, d. h. mit höherer Federsteifig
keit, eingestellt ist. Treten also Abweichungen zwischen
dem Istwert des mittleren Bodenabstandes und dem jeweiligen
Sollwert auf, so können die Abstützkräfte der Abstützaggre
gate 10 - zumindest innerhalb eines mittleren Bereiches der
Federungshübe - relativ geringfügig geändert werden, um eine
besonders komfortbetonte Federung zu erzielen. Bei Abweichun
gen zwischen den Mittelwerten von Wankwinkel bzw. Nickwinkel
und den jeweiligen Sollwerten können dagegen stärkere
Änderungen der Abstützkräfte der Abstützaggregate 10 vorge
nommen werden, um insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten
ein sicheres Fahrverhalten zu gewährleisten.
Die Abstützkraft eines Abstützaggregates wird also nicht
in erster Linie in Abhängigkeit von der jeweiligen
Hubstellung des Rades bestimmt, vielmehr ist für die
Bemessung der Abstützkräfte entscheidend, inwieweit der
Fahrzeugaufbau zur Erreichung einer gewünschten Sollage
eine reine Hubbewegung relativ zum Boden und/oder eine
Drehung um die Fahrzeuglängsachse (Änderung des Wankwinkels)
und/oder eine Drehung um die Fahrzeugquerachse (Änderung des
Nickwinkels) ausführen muß.
Dabei können die zur Korrektur der jeweiligen Hubstellung
sowie zur Korrektur des jeweiligen Wankwinkels und zur
Korrektur des jeweiligen Nickwinkels separat errechneten
Änderungen bzw. Korrekturen der Abstützkräfte der Abstütz
aggregate 10 einfach additiv miteinander verknüpft werden,
d. h. die an jedem Abstützaggregat tatsächlich vorgenommene
Veränderung der Abstützkraft entspricht jeweils der Summe
der Einzelkorrekturen, die für eine gewünschte Änderung
der Hubstellung bzw. des Wankwinkels bzw. des Nickwinkels
errechnet wurden.
In Extremfällen kann die errechnete Gesamtkorrektur außer
halb der konstruktiven Möglichkeiten der Abstützaggregate
liegen. In einem derartigen Falle stellt sich am jeweiligen
Abstützaggregat 10 der konstruktiv erreichbare Grenzwert ein.
Durch die Beschleunigungsgeber 1 und 3, insbesondere durch
die Radbeschleunigungsgeber 1, kann der Rechner bzw. Mikro
prozessor bestimmte Fahrzustände besonders frühzeitig er
kennen. Beispielsweise tritt bei einem plötzlichen starken
Ausschlag der Lenkung eine merkliche Querbeschleunigung der
Räder bzw. des Fahrzeugaufbaus ein, bevor sich der Fahrzeug
aufbau zur jeweiligen Kurvenaußenseite hin zu neigen sucht,
d. h. bevor der jeweilige Fahrzustand zu einem durch die
Weggeber 2 registrierbaren Wankwinkel führt. Ähnliches gilt
im Falle starker Verzögerungen bzw. Beschleunigungen des
Fahrzeuges. Auch hier reagiert der Fahrzeugaufbau erst nach
einer gewissen Verzögerungszeit mit Nickbewegungen, die durch
die Weggeber 2 festgestellt werden können. Durch Anordnung
der Beschleunigungsgeber 1 und 3 wird daher die Möglichkeit
geschaffen, daß der Rechner bzw. Mikroprozessor 5 bereits
frühzeitig auf zu erwartende Wank- oder Nickbewegungen des
Fahrzeugaufbaus "vorbereitet" wird und die Abstützaggregate
10 bereits zur Erzeugung entsprechender Gegenkräfte ansteuert,
bevor die Nick- und/oder Wankbewegungen tatsächlich auftreten.
Nick- und/oder Wankbewegungen werden damit praktisch vollstän
dig vermieden.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, daß Radbewegungen
auftreten, welche weder Wank- oder Nick- noch Hubbewegungen
des Fahrzeugaufbaus verursachen. Beispielsweise können das
eine Vorderrad sowie das diagonal gegenüberliegende
Hinterrad gleichzeitig einfedern, während das andere
Vorderrad und das demselben diagonal gegenüberliegende
andere Hinterrad gleichzeitig ausfedern. Falls die Einfe
derungshübe und die Ausfederungshübe alle gleich groß sind,
ändern sich die Mittelwerte des Bodenabstandes, des Wank
winkels und des Nickwinkels nicht. Gleichwohl sind derartige
Radbewegungen unerwünscht, weil dadurch die Bodenhaftung
der Räder verlorengehen kann. Deshalb ist vorgesehen, den
Hubbewegungen der Räder, insbesondere beim Einfedern,
immer einen gewissen Dämpfungswiderstand entgegenzusetzen,
welcher beispielsweise dadurch erzeugt werden kann, daß
während des Einfederungshubes das Ventil 21 (vgl. Fig. 2)
entsprechend gedrosselt wird (das Ventil 20 ist während des
Einfederungshubes in der Regel geschlossen). Im übrigen
besteht die Möglichkeit, daß der Rechner bzw. Mikropro
zessor 5 aus den Signalen der Weggeber 2 ermittelt, ob bzw.
inwieweit Radbewegungen der zuletzt angegebenen Art auftre
ten. Sodann können die Abstützaggregate 10 bzw. deren
Ventilanordnungen 11 im Sinne einer mehr oder weniger
starken Dämpfung dieser Radbewegungen angesteuert werden.
Da derartige Bewegungen der Räder verhältnismäßig selten
angeregt werden, ist es im Hinblick auf den Komfort
erwünscht, wenn die zur Verhinderung dieser Bewegungen
notwendigen Dämpferkräfte nur bei Bedarf wirksam werden.
Dies wird durch die Erfindung ohne Sicherheitseinbuße
ermöglicht.