Federsystem für einen Fahrzeugsitz

Die Erfindung befasst sich mit einem Federsystem für einen Fahrzeugsitz mit einem schwingenden Teil, mit einem feststehenden Teil und einer dazwischen angeordneten Feder.

Unter einem Fahrzeugsitz im Rahmen dieser Anmeldung wird neben einem Sitz für ein Kraftfahrzeug, beispielsweise für ei- nen PKW, einen LKW oder ein anderes Nutzfahrzeug, auch ein Sitz für ein Schienenfahrzeug, beispielsweise einen Zug, sowie für ein Luftfahrzeug, beispielsweise ein Flugzeug, verstanden. Bei solchen Fahrzeugsitzen sind verschiedene Federungssysteme bekannt. Die zwischen einem feststehenden Teil, der regelmäßig mit dem Chassis des Fahrzeuges verbunden ist, und einem dazu schwingenden Teil angeordnet ist. Als Federn werden hierzu Zug-, Druck-, Gummi-, Blatt- und auch Luftfedern verwendet. Bei Fahrzeugsitzen mit Luftfederungen ist es möglich, die Luftfeder automatisch auf das Fahrergewicht an- zupassen, indem Ventilsteuerungen eingesetzt werden, die die Gegenkraft der Luftfederung automatisch anpassen. Außerdem sind auch Federungssysteme bekannt, bei denen einen Höheneinstellung möglich ist. Bei luftgefederten Sitzen wird dies regelmäßig durch die änderung der Steuerpunkte der Ventilsteue- rung realisiert.

Um die Schwingungsenergie aus einem solchen System heraus zu nehmen, werden Stoßdämpfer eingesetzt. Konventionelle Stoßdämpfer haben eine Dämpfungskraft, die in etwa proportional mit der Geschwindigkeit ansteigt, mit der ein Kolben im Dämpfer relativ zu seinem Gehäuse bewegt wird. Im Ergebnis erhält man also eine Dämpfungskraft, die sich proportional zur Geschwindigkeit verhält. Es sind auch Stoßdämpfer bekannt, die einen leicht über dieser Proportionalität liegende Entwick- lung der Dämpfungskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Stoßdämpfers aufweisen: Die Verdoppelung der Dämp-

fergeschwindigkeit zieht bei diesen Stoßdämpfern eine knapp dreifache Dämpfungskraft am Stoßdämpfer nach sich.

Darüber hinaus sind semiaktive und aktive Federsysteme be- kannt, durch die eine Verbesserung der Schwingungsisolation im höherfrequenten Bereich erreicht wird, ohne bei niedrigen Anregungsfrequenzen und großen Amplituden zu große Schwingwege zuzulassen. Solche semiaktiven und aktiven Federsysteme haben jedoch den Nachteil, dass sie technisch sehr aufwendig zu realisieren sind und somit erheblich höhere Kosten erzeugen als die passiven Federsysteme.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine kostengünstige Verbesserung der Schwingungsisolation bei gleichzeitiger Er- haltung einer guten Fahrbarkeit des Fahrzeugs zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Federsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Verwendung eines Stoßdämpfers, dessen Dämpfungskraft mit steigender Geschwindigkeit des schwingenden Teils gegenüber dem feststehenden Teil stark progressiv ansteigt — im folgenden als stark progressiver Stoßdämpfer bezeichnet -, führt dazu, dass bei einer Bewegung des Stoßdämpfers mit nur geringen Geschwindigkeiten lediglich sehr geringe Dämpfungskräfte erzeugt werden. Hierdurch wirken wiederum nur geringe Dämpfungskräfte auf den gefederten Teil des Fahrzeugsitzes, was geringe Beschleunigungen zur Folge hat. Diese Dämpfungskräfte sind gegenüber einem konventionellen Stoßdämpfer bei ansonsten gleichen Bedingungen deutlich verringert. Ein solches Szenario ergibt sich bei geringen Be- wegungen im Schwingsystem, sei es aufgrund geringer Belastung — entweder bei geringem Fahrergewicht oder aufgrund geringer Anregungen, wie beispielsweise gutem Untergrund. Dagegen erzeugt der stark progressive Stoßdämpfer bei größeren Bewegungen — höheres Fahrergewicht oder stärkere Anregungen vom Un- tergrund her — deutlich höhere Kräfte bei ansonsten gleichen Bedingungen als ein konventioneller Stoßdämpfer. Dadurch werden Anschläge des schwingenden Teils ver-

mieden und zu große Schwingwege, die die Kontrollierbarkeit des Fahrzeuges beeinträchtigen können, finden nicht statt. Unter einem stark progressiven Anstieg der Dämpfungskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des schwingenden Teils wird im Rahmen dieser Erfindung verstanden, dass die Dämpfungskraft F proportional zur Geschwindigkeit v mit einem Exponenten e ist, der signifikant größer als 1,5 ist, wobei e gilt: F = K - V (K ist eine Konstante).

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Anstieg der Dämpfungskraft mindestens quadratisch, bevorzugt mit einem Exponenten zwischen 2 und 10, zur Geschwindigkeit erfolgt. Bei einem Exponenten am unteren Ende des bevorzugten Bereichs, nämlich 2, erhält man bei einer Verdopplung der Geschwindigkeit eine vierfache Dämpfungskraft. Dies bewirkt, dass die Dämpfungskraft im unteren Bereich der Geschwindigkeit noch relativ nahe am linearen Verlauf orientiert ist und sich dann steil nach oben bewegt und die in der Aufgabe formulierte Problematik besonders gut löst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Anstieg der Dämpfungskraft — die Progressivität —, in Zugrichtung und in Druckrichtung unterschiedlich ausgeführt wird. Vorzugweise wird der Stoßdämpfer in jener Bewegungs- richtung mit höherer Progressivität ausgeführt, in welcher er beim Einfedern des gefederten Systems wirkt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Kraftniveau des Stoßdämpfers in Zugrichtung und in Druck- richtung unterschiedlich ausgeführt wird. Vorzugweise wird der Stoßdämpfer in jener Bewegungsrichtung mit höheren Kräften bei ansonsten gleichen Bedingungen ausgeführt, in welcher er beim Einfedern des gefederten Systems wirkt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Anstieg der Dämpfungskraft auch wegabhängig ist. Dadurch wird vermieden, dass es ungewollt zu einem An-

schlag des schwingenden Teils kommt, wenn die Geschwindigkeit des schwingenden Teils gering ist.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stoßdämpfer einstellbar ist. Dadurch kann auf individuelle Bedürfnisse des Fahrers bzw. des zu befahrenden Untergrunds eingegangen werden und eine spezifisch darauf ausgerichtete Einstellung vorgenommen werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Anstieg der Dämpfungskraft einstellbar ist. Dadurch ist es möglich, nicht nur mit einem einzigen vorgegebenen bekannten Exponenten die Dämpfungskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des schwingenden Teils zu erzeugen sondern auf individuelle Gegebenheiten einzugehen. So kann beispielsweise bei einer schweren Person auf dem Fahrzeugsitz ein steilerer Anstieg der Dämpfungskraft eingestellt werden als bei einem leichteren Insassen.

Besonders bevorzugt wird als Feder eine Luftfeder mit einem Luftvolumen verwendet. Solche Federn sind gut bekannt und können mit den im Folgenden noch beschriebenen Zusatzmerkmalen ausgestattet sein, was zu den dort angegebenen Vorteilen führt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Luftvolumen über eine Leitung mit einem Zusatz- luftvolumen verbunden ist. Dadurch wird in sehr vorteilhafter Art und Weise eine sehr flache Federkennlinie der Luftfeder erreicht.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Leitung eine Drossel eingebaut ist. Dadurch wird erreicht, dass bei geringen Schwingbewegungen die Luft- menge nahezu widerstandsfrei zwischen Luftvolumen und Zusatzluftvolumen ausgetauscht wird und bei größeren Schwingbewegungen dagegen eine Drosselung erfolgt. Im Ergebnis wird da-

durch zusätzliche Dämpfungsarbeit geleistet, die das Aufschaukeln des Fahrzeugsitzes bei großer Anregung oder großem Fahrergewicht verhindert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä- ßen Federsystems in einem Fahrzeugsitz und

Figur 2 eine Kennlinie eines erfindungsgemäßen Stoßdämpfers und eine Kennlinie eines konventionellen Stoßdämpfer mit geschwindigkeitsproportionalen Kräften, wo- bei die Dämpfungskräfte über der Geschwindigkeit aufgetragen sind.

In Figur 1 ist ein Fahrzeugsitz dargestellt, der einen fest- stehenden Teil 3 hat. Dieser feststehende Teil 3 ist mit dem Chassis (nicht gezeigt) eines Fahrzeuges — hier eines Nutzfahrzeuges (nicht gezeigt) — verbunden. Beweglich zu diesem feststehenden Teil 3 weist der Fahrzeugsitz einen schwingenden Teil 2 auf, welcher mit dem feststehenden Teil 3 beweg- lieh verbunden ist. Zwischen dem feststehenden Teil 3 und dem schwingenden Teil 2 ist eine Feder 4 in Form einer Luftfeder 7 angeordnet. Das Luftvolumen 8 der Luftfeder 7 ist über eine Leitung 9 mit einem Zusatzluftvolumen 5 verbunden. In der Leitung 9 befindet sich eine Drossel 6. Zusätzlich zu der be- schriebenen Federung, die zur Kompensation von Schlägen durch den Untergrund auf den feststehenden Teil 3 des Fahrzeugsitzes wirkt oder anderen Steuerungen dient, ist noch ein Stoßdämpfer 1 zwischen dem feststehenden Teil 3 und dem schwingenden Teil 2 angeordnet. Dieser dient dazu, die während ei- ner Schwingung des gefederten Fahrzeugsitzes in diesem System vorhandene Energie zu absorbieren und somit aus dem System heraus zu nehmen. Der Stoßdämpfer 1 weist ein Gehäuse auf, in

dem ein Kolben bewegt wird. Vom prinzipiellen Aufbau her ist ein solcher Stoßdämpfer 1 dem Fachmann bekannt, so dass auf die konkrete Ausgestaltung nicht näher eingegangen werden muss.

Durch das dargestellte Federsystem aus der Luftfeder 7 — mit dem Luftvolumen 8 — und dem Zusatzluftvolumen 5, das über eine Leitung 9 mit darin angeordneter Drossel 6 mit dem Luftvolumen 8 verbunden ist, wird nicht nur die bekannte Federung erreicht, sondern auch eine leichte Dämpfung aufgrund der Drossel 6. Diese leichte Dämpfung wird nur bei hohen Geschwindigkeiten der Luft zwischen dem Luftvolumen 8 und dem Zusatzluftvolumen 5 erfolgen, da bei einer niedrigen Geschwindigkeit die Luft ungestört durch die Drossel 6 gelangt. Man erhält somit eine Luftfeder 7 mit einer sehr flachen Federkennlinie. Hiermit wird ein Aufschaukeln des Sitzes bei großen Anregungen oder großem Fahrergewicht verhindert.

Zusätzlich und hauptsächlich erfolgt die Dämpfung durch den erfindungsgemäßen Stoßdämpfer 1. Seine Kennlinie 10 ist in

Figur 2 dargestellt. Hierbei ist über der Abszisse (Geschwindigkeit v) die Dämpfungskraft F als Ordinate aufgetragen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt eine exponentielle Abhängigkeit der Dämpfungskraft F von der Geschwindigkeit v des schwingenden Teils 2 gegenüber dem feststehenden Teil 3 vor. Der Exponent beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 3. Dies bedeutet bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit v eine Verachtfachung der Dämpfungskraft F. Gegenüber den konventionellen Stoßdampfern — deren Kennlinie 11 eben- falls in Figur 2 dargestellt ist und bei denen die Dämpfungskraft F proportional zur Geschwindigkeit v ist — ist somit ein deutlich höherer Anstieg der Dämpfungskraft F über der Geschwindigkeit v gegeben.

Durch diese überproportionale Progressivität im Verhältnis der Dämpfungskraft F zur Geschwindigkeit v erfolgt eine deutliche Verbesserung des Schwingverhaltens und eine gleichzei-

tige automatische Anpassung des gefederten Systems an das Fahrergewicht und die Fahrsituation. Bei konventionellen Stoßdämpfern würden bei einer höheren Anregung oder bei einem schwereren Fahrer deutlich größere Geschwindigkeiten zwischen dem schwingenden Teil 2 und dem feststehenden Teil 3 entstehen, was zu Einschränkungen bei der Fahrbarkeit bzw. Kontrolle des Fahrzeugs führen kann. Dagegen wird bei dem erfindungsgemäß überproportional steigenden Dämpfungskräften F diesem negativen Effekt automatisch entgegen gewirkt.

Die Abstimmung der Dämpferkräfte F kann im unteren Geschwindigkeitsbereich niedriger ausfallen. Dies führt zu geringerer Belastung des Fahrers durch Vertikalschwingungen, ohne dass bei höheren Anregungen große Schwingbewegungen auftreten, wie dies insbesondere in Verbindung mit schwereren Fahrern ansonsten der Fall wäre. Im Ergebnis kommt man dazu, dass die Fahrbarkeit und Kontrolle über das Fahrzeug in einem größeren Einsatzbereich erhalten bleibt, ohne dass auf teure semiaktive oder aktive Systeme zurückgegriffen werden muss.

Ein weiterer Vorteil eines solchen erfindungsgemäßen Systems liegt darin, dass diese Technologie auch bei Fahrzeugsitzen verwendet werden kann, die eine in das federnde System integrierte Höheneinstellung aufweist. Dies ergibt sich daraus, dass die Dämpfungskräfte F am Dämpferkolben entstehen, der sich im Dämpfergehäuse hin- und herbewegt. Diese Technologie ist somit im Gegensatz zu wegabhängigen Dämpfersystemen — mit wegabhängiger Progressivität — auch für Systeme mit integrierter Höheneinstellung einsetzbar. Dies bedeutet, dass die Vorteile des erfindungsmäßigen Stoßdämpfers im Gegensatz zu einem wegabhängigen progressiven Stoßdämpfer — der bei einem solchen System nicht anwendbar ist — trotzdem erreicht werden.

Dies bedeutet, dass der Stoßdämpfer um eine feste Mittellage einen weichen Bereich mit geringeren Kräften aufweist und außerhalb dieses Bereichs höhere Kräfte bei sonst gleichen Be-

dingungen — sprich Geschwindigkeiten v — entstehen. Durch diesen weichen Mittelbereich wird der Vorteil erreicht, dass Anregungen mit geringen Amplituden auch bei höheren Frequenzen und damit höheren Geschwindigkeiten v nur zu relativ niedrigen Dämpfungskräften F führen. Dies ist der Figur 2 im Bereich um den Nullpunkt der Geschwindigkeit v optisch zu entnehmen, da in diesem Bereich ein näherungsweise linearer Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit v und der Dämpfungskraft F besteht. Nur bei größeren Anregungsamplituden steigen die Dämpfungskräfte F stark an. Auf diese Weise wird eine Verbesserung der Schwingungsisolation im höherfrequenten Bereich erreicht, ohne bei niedrigen Anregungsfrequenzen und großen Amplituden zu große Schwingwege zuzulassen. Dadurch wird vermieden, dass die Fahrbarkeit oder Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs beeinträchtigt wird.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Federsystems mit einem stark progressiven Stoßdämpfer ist auch bei Sitzen, die nominell eine feste mittlere Schwingposition haben, einsetzbar. Dadurch können die Vorteile genutzt werden, die ansonsten bei wegabhängigen DämpferSystemen erzielt werden. Dies gilt insbesondere auch bei manuell einzustellenden Mittelpositionen, da diese regelmäßig nicht exakt genug eingestellt werden können.

Das erfindungsgemäße Federsystem weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass ein fließender übergang zwischen dem weichen Bereich um die Mittellage und den starken Dämpfungskräften F im äußeren Bereich erfolgt. Dadurch werden — anders als bei zu großem Kraftunterschied oder zu kurzem übergangsbereich — als stark unangenehm empfundene Schwingungen nicht auf den schwingenden Teil 2 und damit auf die sitzende Person übertragen.

Bezugszeichenliste

1 Stoßdämpfer

2 Schwingender Teil

3 Feststehender Teil

4 Feder

5 Zusatzluftvolumen

6 Drossel

7 Luftfeder

8 Luftvolumen

9 Leitung

10 Kennlinie progressiver Stoßdämpfer

11 Kennlinie konventioneller Stoßdämpfer

v Geschwindigkeit

F Dämpfungskraft