Kraftfahrzeug mit verbesserter Radbewegungsdämpfung

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug. Bekanntlich umfasst ein Kraftfahrzeug eine Mehrzahl von Rädern und einen Kraftfahrzeugaufbau, der relativ zu den Rädern beweglich ist. Damit die Relativbewegung zwischen Kraftfahrzeugaufbau und Räder nicht beliebig ist, ist bekanntlich ein Federungssystem an zumindest einem der Räder vorgesehen, über das das Rad mit dem Kraftfahrzeugaufbau gekoppelt ist. Bewegungen werden durch eine Dämpfeinrichtung in ihrem Ausmaß gedämpft.

Ursprünglich wurden in Kraftfahrzeugsystemen rein passive Federungssysteme und passive Dämpfer verwendet. Passive Dämpfer verhalten sich ge- maß einer vorgegebenen Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie. Der Dämpfer bringt hierbei eine Gegenkraft auf.

Man ist nun dazu übergegangen, in Kraftfahrzeugen entweder den Dämpfer zu regeln oder im Federungssystem eine Regelung vorzugeben. Regelbare Dämpfer können hydraulisch arbeiten. Es sind auch regelbare Dämpfer bekannt, die magnetorheologisch arbeiten. Die Ansteuerung derartiger magne- torheologischer Dämpfer ist beispielsweise in der US 2003/0195683 A1 , der EP 1 557 304 A1 und der DE 10 2004 058 736 A1 beschrieben. Im US- Patent 5,390,121 ist beschrieben, dass ein Dämpfer (in diesem Fall ein so genannter semiaktiver Dämpfer) unterschiedliche Einstellmöglichkeiten bietet, wobei vorgesehen ist, ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten in Abhängigkeit von einem Fahrmodus, welcher über einen Schalter vom Fahrer einstellbar ist, festzulegen.

Bei Verwendung eines regelbaren Dämpfers in Zusammenhang mit einem passiven Federungssystem ist wegen einer variablen Einstellung der Kraft- Geschwindigkeits-Kennlinie des Dämpfers, also durch die Möglichkeit einer Einstellung gemäß einem Kennfeld, ein Betrag der Dämpfkraft beliebig bestimmbar. Nicht bestimmbar ist die Richtung der Kraft.

Die vorliegende Erfindung geht von einem Kraftfahrzeug mit einem aktiven Federungssystem aus, das im Stand der Technik mit einem passiven Dämpfer kombiniert wird. Das aktive Federungssystem umfasst üblicherweise eine erste Feder und eine Stelleinrichtung zum Beeinflussen dieser ersten Feder, wobei insbesondere die wirksame Federkraft beeinflusst wird. Typischerweise wird durch die Stelleinrichtung zum Beeinflussen der Fußpunkt der ersten Feder verstellt. Dies ist beispielsweise durch Bereitstellen eines Elektromotors und eines Getriebes möglich, die zwischen dem Rad und dem Kraftfahr- zeugaufbau in einer Reihenanordnung mit der ersten Feder eingesetzt werden. Der Elektromotor wird permanent bewegt, es erfolgt dadurch eine Regelung. Ziel der Regelung ist die Herstellung bestimmter Kraftfahrzeugzustände. üblicherweise können diese Kraftfahrzeugzustände nicht durch einen einzigen Parameter ausgedrückt werden, sondern es ist zur Beschreibung eines Kraftfahrzeugzustands eine Mehrzahl von Parametern erforderlich.

Befindet sich ein Elektromotor in einer Reihenanordnung mit der ersten Feder, so gibt es zwei im Stand der Technik bekannte und besonders verbreitete Möglichkeiten, wie das Federungssystem auszugestalten ist: Es sollte eine zweite Feder bereitgestellt werden, damit der Elektromotor und ein hiermit in Wirkverbindung stehendes Getriebe nicht den gesamten Aufbau tragen muss, sondern nur teiltragend ist, und der restliche Kraftfluss sollte über die zweite Feder erfolgen.

Es ist gemäß einer ersten Alternative möglich, die zweite Feder lediglich parallel zu dem Elektromotor mit dem Getriebe, aber eben auch in Reihenanordnung mit der ersten Feder zwischen Rad und Kraftfahrzeugaufbau anzuordnen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der EP 1 681 187 A2, der EP 1 681 189 A2, der DE 10 2004 014 336 B3 und der DE 10 2005 001 735 A1 beschrieben.

Die zweite Feder kann auch alleine zwischen Rad und Kraftfahrzeugaufbau angeordnet werden, also parallel zu der Reihenanordnung aus erster Feder und Elektromotor mit Getriebe. Diese Anordnung ist aus der EP 1 512 560 A2 bekannt.

Bei den genannten Anordnungen wird typischerweise ein hydraulischer Dämpfer verwendet, der passiv ist, bei dem also die Kraft-Geschwindigkeits- Kennlinie festliegt.

Es hat sich nun gezeigt, dass die Auslegung der von der ersten Feder bereitgestellten Federkraft und der durch den passiven Dämpfer bereitgestellten dämpfenden Kraft einem Zielkonflikt unterliegt. Damit kleine Stellwege erreicht werden und die Stellenergie, die die Stelleinrichtung zum Beeinflussen der ersten Feder aufbringen muss, nicht zu hoch wird, sollte die erste Feder sehr steif sein. Durch eine äußerst steife erste Feder wird eine gute Kraftdynamik im System erreicht. Es wird eine gute StelldynamHs erreicht, die Stelleinrichtung zum Beeinflussen der wirksamen Federkraft kann dies we- gen der steifen Feder besonders schnell tun. Bei steifer erster Feder verschlechtert sich jedoch die Qualität der Raddämpfung. Dadurch wird die Traktion schlechter. Aufgrund von höheren Radlastschwankungen kann auch die Fahrsicherheit abnehmen. Man kann diese dadurch lösen, dass der Dämpfer besonders stark dämpfend ausgelegt wird (eine „härtere" Kraft- Geschwindigkeits-Kennlinie aufweist). Dämpft der Dämpfer stark, werden Radschwingungen ausreichend gut gedämpft. Nachteilig ist allerdings, dass die Stelleinrichtung zum Beeinflussen der ersten Feder, also besagter Elektromotor mit dem Getriebe, eine Kraft gegen den Dämpfer aufbringen muss, so dass das aktive Federungssystem bei Bereitstellen einer größeren Dämpfkraft durch den Dämpfer möglicherweise nicht mehr so gut arbeiten kann wie gewünscht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Federungs- und Dämpfungssystem für ein Kraftfahrzeug so zu optimieren, dass das Schwingungsverhalten von Kraft- fahrzeugaufbau und Rad soweit beeinflusst werden kann, dass möglichst wenig Probleme auftreten.

Die Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst: Erfindungsgemäß ermöglicht somit die Dämpfeinrichtung (insbesondere ein einzelner Dämpfer) im Fahrzeugbetrieb eine Umschaltung zwischen zumindest zwei Einstellzuständen, wobei die Dämpfeinrichtung in einem ersten Einstellzustand gemäß zumindest einer ersten Kraft- Geschwindigkeits-Kennlinie dämpft und in einem zweiten EinsteJIzustand gemäß zumindest einer zweiten Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie dämpft.

Die Dämpfeinrichtung kann also zumindest zwischen zwei Einstellzuständen umgeschalten werden, die an bestimmte Fahrsituationen optimal angepasst bereitgestellt werden können. Bei einem Kraftfahrzeug schwingt der Kraftfahrzeugaufbau üblicherweise niederfrequent und das Rad etwas höherfre-

quent, typischerweise um eine Zehnerpotenz in der Frequenz höher als der Kraftfahrzeugaufbau. Ist die Fahrsituation so, dass eher mit Schwingungen im Kraftfahrzeugaufbau zu rechnen sind, kann derjenige Einstellzustand der Dämpfeinrichtung gewählt werden, in dem die relativ geringe Dämpfkraft be- reitgestellt wird. Dann kann die Stelleinrichtung zum Beeinflussen der ersten Feder besonders wirksam arbeiten, es kann also ein Elektromotor die Kraftfahrzeugaufbauschwingungen besonders wirksam dämpfen. überfährt das Kraftfahrzeug eine relativ unebene, z. B. schlecht befestigte Bahn, ist verstärkt mit Radschwingungen zu rechnen. In diesem Falle sollte der Einstell- zustand gewählt werden, bei dem die Dämpfeinrichtung die relativ höhere Dämpfkraft aufweist, damit die Radschwingungen wirksam unterdrückt werden. Damit wird ein Radspringen vermieden, und die Fahrsicherheit wird verbessert. Eine Steuereinrichtung kann das Umschalten im Fahrzeugbetrieb veranlassen, die Dämpfereinrichtung sollte dann Steuerbefehle empfangen können.

Bevorzugt ist die Dämpfeinrichtung sogar regelbar, was dadurch ermöglicht wird, dass unterschiedliche Einstellzustände der Dämpfeinrichtung kontinuierlich ineinander übergehen (also ein ganzes Kraft-Geschwindigkeits- Kennfeld bereitgestellt wird). Eine Steuereinrichtung kann zum Zwecke einer Regelung dann den Einstellzustand präzise festlegen. Die Steuereinrichtung kann mit dem zentralen Steuergerät für das Gesamtfahrzeug identisch sein.

Zwar sind hydraulische Dämpfer bekannt, in denen Einstellzustände kontinu- ierlich ineinander übergehen. Bevorzugt wird bei der vorliegenden Erfindung jedoch ein magnetorheologischer Dämpfer verwendet. Dieser hat den Vorteil, dass er auch bei höheren Frequenzen bis hin in den Eigenfrequenzbereich von Radschwingungen optimal dämpfen kann.

Typische Dämpfer verhalten sich nicht nur gemäß einer einzigen Kraft- Geschwindigkeits-Kennlinie, sondern es wird zwischen einer Kraft- Geschwindigkeits-Kennlinie bei Druckbeaufschlagung und einer Kraft- Geschwindigkeits-Kennlinie bei Zugbeaufschlagung unterschieden. Grund hierfür ist, dass eine Wirkflüssigkeit in den Dämpfern bei Druck und Zug über unterschiedliche Ventile läuft. Bevorzugt gibt es daher zu jedem Einstellzustand zwei Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinien, z. B. im ersten Einstellzustand bei Druck die erste Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie und bei Zug eine dritte Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie und im zweiten Einstellzustand bei Druck eine zweite Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie und bei Zug eine vierte Kraft-

Geschwindigkeits-Kennlinie. Naturgemäß sollten sich die erste und die zweite Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie wie auch die dritte und die vierte Kraft- Geschwindigkeits-Kennünie voneinander in zumindest einem Kennlinienbereich voneinander unterscheiden.

Die Erfindung kann im Zusammenwirken mit aktiven Federungssystemen der eingangs beschriebenen Art verwirklicht werden, es wird also die Stelleinrichtung zum Beeinflussen in einer Reihenanordnung mit der ersten Feder zwischen Rad- und Kraftfahrzeugaufbau angeordnet, und durch die Stelleinrich- tung zum Beeinflussen wird der Federfußpunkt verstellt. Dies kann insbesondere mittels eines Motors und eines Getriebes erfolgen, wobei der Motor von einer Steuereinrichtung ansteuerbar sein soll, was insbesondere im Rahmen einer Regelung geschehen soll. Die besagte Steuereinrichtung kann das zentrale Steuergerät für das gesamte Kraftfahrzeug sein. Die Erfin- düng ist bei beiden oben genannten Ausführungsformen ermöglicht, bei denen eine zweite Feder bereitgestellt wird, und zwar sowohl bei der Ausführungsform, bei der die Feder parallel zu der Stelleinrichtung zum Beeinflussen und damit in einer Reihenanordnung mit der ersten Feder zwischen dem Rad und dem Kraftfahrzeugaufbau angeordnet ist, als auch bei der Ausfüh- rungsform, bei dem die zweite Feder zwischen dem Rad und dem Kraftfahrzeugaufbau und parallel zu der Reihenanordnung aus erster Feder und Motor mit Getriebe angeordnet ist.

Wie im Stand der Technik bei aktiven Federungssystemen bekannt, können die verwendeten Federn torsionsbelastete Stahlfedern sein.

Während im Stand der Technik regelbare Dämpfer nur zusammen mit passiven Federungssystemen verwendet werden und aktive Federungssysteme mit passiven Dämpfern verwendet werden, wird vorliegend ein regelbarer Dämpfer zusammen mit einem aktiven Federungssystem eingesetzt.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und

Fig. 3 anhand einer Frequenzachse darstellt, welche Bauteile, die bei der Erfindung verwendet werden können, welche Wirkungen haben.

In den Fig. 1 und 2 ist ein so genanntes Viertelfahrzeugmodell mit aktiver Federung veranschaulicht. Symbolisch dargestellt ist der Kraftfahrzeugaufbau 10 und ein Rad 12 von vier Rädern des Kraftfahrzeugs (daher „Viertelfahrzeugmodell"). Das Rad 12 fährt auf einer Bahn 14 und stellt selbst, insbesondere durch den Reifengummi, eine Radfeder 16 bereit. Vorliegend geht es um das Wechselwirken zwischen Kraftfahrzeugaufbau 10 und Rad 12. Die Wechselwirkung wird durch eine aktive Federung wesentlich bestimmt. Im Rahmen der aktiven Federung ist eine erste Feder 18 bereitgestellt, und zwar in einer Reihenanordnung mit einer Stelleinrichtung 20, die den Fußpunkt der Feder 18 verstellen kann. üblicherweise umfasst die Steuereinrichtung 20 einen Motor und ein damit gekoppeltes Getriebe, wobei der Motor von einer in den Figuren nicht gezeigten Steuereinheit, üblicherweise dem zentralen Steuergerät des Kraftfahrzeugs zum Zwecke der Regelung des Kraftfahrzeugverhaltens angesteuert wird. Die Reihenanordnung aus erster Feder 18 und der Stelleinrichtung 20 zum Beeinflussen der Feder 18 soll nicht allein den gesamten Kraftfahrzeugaufbau 10 relativ zum Rad 12 tragen. Daher ist eine zweite Feder 22 bereitgestellt. Bei einer ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist die Feder 22 parallel zu der Stelleinrichtung 20 zum Beeinflussen der Feder 18 angeordnet, aber in Reihenanordnung mit der Feder 18 zwischen Kraftfahrzeugaufbau 10 und Rad 12. Bei der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Feder 22 hingegen parallel zur ge- samten Reihenanordnung aus erster Feder 18 und der Stelleinrichtung 20 zum Beeinflussen der Feder 18 angeordnet, also unmittelbar zwischen Kraftfahrzeugaufbau 10 und Rad 12. Die Stelleinrichtung 20 wirkt nur auf genau eine Feder 18 ein.

Zu einem aktiven Federungssystem, wie es soeben erläutert und dargestellt wurde, wird im Stand der Technik üblicherweise ein passiver Dämpfer verwendet. Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten beiden Ausführungsformen der Erfindung hingegen wird ein regelbarer Dämpfer 24 eingesetzt. Durch dasselbe Steuergerät (nicht gezeigt), das die Stelleinrichtung 20 zum Beein- flussen der Feder 18 ansteuert, kann auch der Dämpfer 24 angesteuert werden. Durch die Regelbarkeit des Dämpfers 24 ist es möglich, passend zu einer Fahrsituation eine geeignete Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie zu wählen, und zwar jeweils für Druckbeaufschlagung und Zugbeaufschlagung des Dämpfers 24. Je mehr und je stärker Schwingungen des Rades 12 auftreten

oder auftreten könnten und je weniger Schwingungen des Kraftfahrzeugsaufbaus 10 auftreten bzw. auftreten könnten, desto mehr sollte der Dämpfer 24 dämpfen.

Fig. 3 veranschaulicht, wie das Schwingungsverhalten im Kraftfahrzeug be- einflusst werden kann. Aufgetragen ist längs der einzigen Achse in Fig. 3 die Frequenz in Hertz. In einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und fast 3 Hz gibt es Eigenschwingungen des Kraftfahrzeugaufbaus 10. In einem Frequenzbereich zwischen ca. 6 Hz und 10 Hz gibt es Eigenschwingungen des Rades 12. Die aktive Federung mit den Elementen 18, 20, 22 kann auf den in Fig. 3 durch den Balken 26 dargestellten Frequenzbereich Einfluss nehmen, beeinflusst also hauptsächlich Schwingungen des Kraftfahrzeugsaufbaus 10. Für den regelbaren Dämpfer 24 gibt es zwei Alternativen: Es kann ein einfacher schaltbarer Dämpfer verwendet werden oder auch ein konven- tioneller hydraulischer regelbarer Dämpfer. Ein solcher Dämpfer beeinflusst Frequenzen in dem durch den Balken 28 dargestellten Bereich. über die aktive Federung hinaus werden also Frequenzen bis in Richtung des Eigenfrequenzbereichs der Radschwingungen 12 möglich. Noch geeigneter als ein schaltbarer oder konventioneller regelbarer Dämpfer ist ein magnetorheolo- gischer kontinuierlich regelbarer Dämpfer als Dämpfer 24. Ein solcher Dämpfer kann den durch den Balken 30 veranschaulichten Frequenzbereich beeinflussen. Ein solcher Dämpfer kann insbesondere eindeutig auf Radschwingungen mit der Eigenfrequenz Einfluss nehmen.

Die aktive Federung ist also entweder mit einem schaltbaren bzw. konventionellen regelbarem Dämpfer oder einem magnetorheologischen kontinuierlich regelbaren Dämpfer kombinierbar. Solange Schwingungen des Kraftfahrzeugaufbaus 10 im Zentrum des Interesses liegen, sollte der Dämpfer 24 so eingestellt sein, dass die aktive Federung möglichst optimal arbeiten kann. Da Elektromotor und Getriebe der Stelleinrichtung 20 zum Beeinflussen der Feder 18 gegen den Dämpfer 24 arbeiten müssen, sollte dieser dann möglichst wenig Dämpfkraft bereitstellen. Anders ist es, wenn Radschwingungen im Zentrum des Interesses stehen. Dann sollte der Dämpfer 24 so eingestellt sein, dass (bei Vernachlässigung der aktiven Federung) möglichst eine starke dämpfende Kraft bereitgestellt wird.