DE10105300A1 - Federung mit veränderlicher Tragkraft für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Federung für ein Fahrzeug bei dem das Fahrzeug (13) gegenüber der Radachse (3) über eine Stahlfeder (6) abgestützt ist. Derartige Federn (6) sind im Vergleich zu pneumatischen Federn preiswert, nachteilig bei den Stallfedern (6) ist es, daß sie in ihrer Tragkraft von der jeweiligen Belastung abhängig sind. Die Stallfedern sinken somit bei höherer Belastung ein bzw. dehnen sich bei geringerer Belastung aus. Aufgabe der Erfindung ist es eine verstellbare auf der elastischen Deformation der Stallfedern besierende Tragfedernordnung so zu gestalten, dass die Tragkraft durch einen Stellantrieb variiert werden kann. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, ein Hebelgetriebe (4, 5) vorgesehen ist, in welchem der Einfederweg des Rades (3) gegenüber der Deformation der Feder (6) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung geht zum einen aus von den bekannten Stahlfedern zum elastischen Abstützen der Gewichtskraft eines Fahrzeugaufbaus auf den Radachsen und zum andern von den ebenfalls bekannten Luftfedern, bei denen die elastische Kraftübertragung durch ein komprimierbares Gasvolumen erfolgt.

Der Vorteil der Gasfedern gegenüber Stahlfedern besteht darin, dass die stati­ sche Länge der Gasfeder an eine sich ändernde Traglast durch Zufuhr oder Abga­ be einer entsprechenden Gasmenge angepasst werden kann. Außerdem bleibt, wenn eine solche Niveauregulierung erfolgt, die Eigenfrequenz des Feder-Masse- Systems bestehend aus Tragfeder und Aufbaumasse in guter Näherung unabhängig von Beladungsänderungen. Nachteilig ist bei Luftfedern, dass im Fahrzeug eine aufwendige Luftversorgungseinheit bestehend aus Antrieb, Kompressor, Luftent­ feuchtung und pneumatischen Ventilen mitgeführt werden muss.

Es gibt Vorschläge für die Entwicklung einer Verstelleinheit für Luftfedern, die die Forderung nach minimalem Aufwand an Stellenergie auf pneumatischem Wege realisiert. Dazu wird an eine bekannte Luftfeder ein pneumatischer Trag­ kraftvariator angeschlossen, der über einen mechanischen Antrieb verstellt wird. Nachteilig ist dabei der große Aufwand an Bauraum, die erforderliche fluidische Verbindung des pneumatischen Kraftvariators zum Luftfederbein mit einem für schnelle Verstellungen ausreichendem Querschnitt, sowie die Notwen­ digkeit einer kompletten Luftversorgungs-Infrastruktur.

Weiterhin ist ein, hydraulisch verstellbares Federbein bekanntgeworden, bei dem ein Einsinken der Stahlfeder infolge einer erhöhten Traglast durch einen hydraulischen Hubzylinder kompensiert wird. Nachteilig ist hier, dass der hy­ draulische Aktuator dabei eine Hubarbeit verrichten muss, die nach dem Ausre­ geln der erhöhten Traglast als potentielle Energie in der Tragfeder vorliegt. Eine aufwendige hydraulische Energieversorgung ist daher notwendig. Außerdem ändert sich die Eigenfrequenz des Feder-Masse Systems bei Zuladung in unvor­ teilhafter Weise zu niedrigeren Werten.

Die Erfindung geht daher aus von einer sich aus dem Oberbegriff des Anspruch 1 ergebenden Merkmalskombination. Bei einer derartigen Federung für ein Fahrzeug stellt sich die Aufgabe, eine verstellbare, auf der elastischen Deformation eines Festkörpers (Stahlfeder) basierende Tragfederanordnung so zu gestalten, dass die Tragkraft durch einen Stellantrieb variiert werden kann.

Die Aufgaben wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Die Erfindung besteht im Prinzip also darin, dass eine herkömmliche Tragfeder in einem speziellen mechanischen He­ belgetriebe angeordnet wird, welches es erlaubt, das Übersetzungsverhältnis vom Rad-Einfederweg zur Deformation der Feder zu variieren. Durch Einsatz eines derartigen Systems ist es möglich die ein Einfederung des Rades weitge­ hend unabhängig von der Belastung des Fahrzeuges zu halten. Während bei einer Verwendung einer Stahlfeder ohne die Merkmale der vorliegenden Erfindung bei einer Vergrößerung der Last das Fahrzeug einsinkt und ein geändertes Schwin­ gungsverhalten zeigt ist dies bei einem mit der Erfindung versehenen Fahrzeug nicht der Fall. Eine Änderung der Beladung eines Fahrzeuges hat somit kaum Einfluß auf das Schwingungsverhalten des Fahrzeugs und damit auf die Stabili­ tät.

An sich ist es möglich bei einer Änderung der Traglast die erfindungsgemäße Federung mit der Hand nachzuregeln. Wenn also das Fahrzeug höher belastet wird und droht einzusinken, läßt sich durch eine entsprechende Nachstellung der Federung hier wieder ein Ausgleich schaffen. Erheblich einfacher wird dies durch Anwendung der in Anspruch 2 aufgeführten Merkmalskombination. Steigt also beispielsweise ein Fahrgast aus oder wird das Fahrzeug in seiner Beladung vermindert, so wird die Übersetzung des Hebelgetriebes derart abgeändert, dass der Einfederweg des Rades auch bei verminderter Beladung sich nicht wesentlich ändert. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn eine derartige Veränderung immer in der Weise geschieht, dass die Feder möglichst wenig deformiert wird. Eine derartige Deformation vernichtet Energie und führt zur Wärmebildung, die gemäß der genannten Weiterbildung der Erfindung entsprechend Anspruch 2 vermieden werden kann. Dass Nachregeln kann dabei sehr schnell geschehen, sodaß auch Schwingungen des Fahrzeugs wie kurze Belastungsänderungen aufgefaßt werden können, die sich weitgehend ausregeln lassen. Auf diese Weise kann die Fede­ rung gleichzeitig auch noch eine Dämpfungsfunktion übernehmen. Die Besonder­ heit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 liegt darin, dass beim nominalen Rad- Einfederweg des Systems eine Verstellung der Getriebeübersetzung nicht zu ei­ ner Deformationsänderung der Feder führt.

Ein besonders einfacher Aufbau für eine mechanische die Getriebeübersetzung ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung durch die Merkmalskombination nach Anspruch 3. Dabei greift im Prinzip die Achse des Rades an einem Waagebalken an, welcher um diese Achse drehbar ist. Weiterhin greifen in geeigneter Weise sowohl die Stahlfeder als auch die Karosserie selbst an Angriffspunkten des Waagebalkens an. Die Angriffs Punkte, die die entsprechenden Hebel festlegen, werden dabei in Abhängigkeit von in der jeweiligen Last so gewählt bzw. ver­ stellt, daß der Waagebalken im Gleichgewicht bleibt und auch bei sich ändernder in Belastung seine Lage beibehält. Hierzu muß die Krafverteilung zwischen der direkt von der Karosserie auf den Waagebalken aufgebrachten Kraft und der über die Feder aufgebrachten Kraft durch Verschieben der Angriffspunkte in Abhängigkeit von der neuen Last neu eingestellt werden. Diese Einstellung ge­ schieht dabei derart, daß die Hebel, an denen die Kräfte angreifen, entspre­ chend verlängert bzw. verkürzt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hebelgetriebes be­ schreiben die Merkmale nach Anspruch 4. Dabei wird der Angriffspunkt der di­ rekt von der Karosserie übertragenen Kraft immer derart verschoben, dass der Waagebalken seine (waagrechte) Lage nur unwesentlich verändert, so daß auch die Länge der Feder nicht verändert wird, die infolgedessen nicht deformiert wird.

Eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung lässt sich den Merkmalen nach Anspruch 5 entnehmen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass der Angriffspunkt der Karosserie an dem Waagebalken stationär ist. Allerdings muß der Angriffspunkt der Feder an der Karosserie nachgeregelt werden. Ent­ sprechendes gilt für die Ausgestaltung nach Anspruch 8., wobei in diesem Falle der Angriffspunkt der Feder an der Karosserie stationär ist während der An­ griffspunkt der Feder an dem Waagebalken nachgeregelt werden muß.

Bei der Anwendung der Merkmalskombination entsprechend den Ansprüchen 5 und 8 empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung insbesondere die Verwendung der Merkmale nach Anspruch 6 bzw. 9. Eine derartige erwünschte Vermeidung der De­ formation der Stahlfeder läßt sich in Weiterbildung der Erfindung durch die Merkmale der Ansprüche 7 bzw. 10 erreichen.

Um die Nachregelung der Lage der entsprechenden Angriffspunkte einfach durchführen zu können wird in Weiterbildung der Erfindung die Merkmalskombination nach Anspruch 11 vorgeschlagen. Danach werden für eine der Nachstellung die­ nende Regelung vorzugsweise elektrische Signale abgebende Sensoren eingesetzt, die z. B. die Radeinfederung, die Beschleunigung der Karosserie oder den Lenk­ winkel messen können.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeich­ nung erläutert. Darin zeigen die

Fig. 1a und 1b ein mechanisches Hebelgetriebe, bei dem die Nachstellung durch Verschieben des Angriffspunktes der Karosserie auf dem Waagebalken ge­ schieht,

Fig. 2a und 2b ein mechanisches Hebelgetriebe, bei dem die Nachstellung durch Verschieben des Angriffspunktes der Feder an der Karosserie geschieht und

Fig. 3a und 3b ein mechanisches Hebelgetriebe, bei dem die Nachstellung durch Verschieben des Angriffspunktes der Feder auf dem Waagebalken ge­ schieht.

In Fig. 1 stützt sich ein T-förmiger Waagebalken 1 mit seinem in der Fig. 1a senkrechten Balken 2 drehbar an einem Rad 3 ab, während an den beiden waag­ rechten Hebeln 4, 5 eine Stahlfeder 6 und ein Abstützblock 7 angreifen. Das zweite Ende 8 der Feder 6 greift über einen 2. Auflagepunkt 9 an dem Hebel 5 an während das gegenüberliegende erste Ende 10 der Feder 6 an einem dritten Auflagepunkt 11 sich abstützt. Der zweite Auflagepunkt 12 des Abstützblockes 7 ist auf dem Waagebalken in waagrechter Richtung verschiebbar. Sinkt die Aufla­ gekraft K der Karosserie 13 in Fig. 1a, so wird die Feder 6 versuchen die Karosserie 13 zu heben. Will man erreichen, dass die beiden Hebel 4, 5 auch bei verminderter Kraft K in Fig. 1a in ihrer waagrechten Lage verbleiben, so ist es notwendig, den Abstützblock 7 in der Zeichnung nach links zu Verschieben, um ein größeres Drehmoment zu erhalten. Durch Verschieben des 2. Auflagepunk­ tes 12 lässt sich also erreichen, dass der Waagebalken 1 auch bei veränderter Last K in seiner waagrechten Lage verbleibt. Da in diesem Fall die Lage der Auflagepunkt der der Feder 6 sich nicht ändert, geschieht die Anpassung des mechanischen Hebelbetriebes ohne Deformation der Feder und damit weitgehend ohne Energieverlust.

Fig. 1b zeigt den Zustand des Hebelgetriebes nach Fig. 1a bei verminderter Last K. Das Prinzip des Hebelgetriebes ist somit folgendes. In Fig. 1 stützen sich die Radkraft und die Federkraft auf einem Waagebalken ab, der am Fahr­ zeugaufbau gelenkig, in horizontaler Richtung verschiebbar und in vertikaler Richtung nicht verschiebbar befestigt ist. Ein nicht dargestellter Stellan­ trieb kann die Länge mindestens eines Hebelarms verändern. Im gezeigten Bei­ spiel geschieht dies durch ein horizontalen Verschieben des vertikal aufbaufe­ sten Gelenkpunkts. Eine Niveauregelung lässt sich dadurch erreichen, dass der Stellantrieb den Gelenkpunkt zu jedem Zeitpunkt an die durch den momentanen Wert der Tragkraft bestimmte Stelle fährt, bei der der Waagebalken in der skizzierten waagerechten Lage austariert ist. Wenn diese Regelung schnell ge­ nug erfolgt bleibt der Balken waagerecht und beim Verschieben ist keine Stellarbeit zu leisten. Wenn die Regelung zu langsam erfolgt bewegt sich die Radeinfederung bei einer Traglasterhöhung vom Nominalwert weg. Um diese Abwei­ chung wieder auszugleichen ist vom Aktuator Hubarbeit zu leisten. Diese Hubar­ beit ist um so geringer, je schneller die Regelstrecke reagiert. Daher kann hier besonders vorteilhaft ein hochdynamische elektromechanische Aktuator ein­ gesetzt werden, der z. B. auch für die für die elektromechanische Radbremse geeignet ist, wobei der zur Tragkraftvariation benötigte Stellenergieaufwand minimal ist.

Die zum erfindungsgemäßen Tragkraftvariator-System gehörende Regelung hält die Feder auf konstanter Länge und daher konstanter Federkraft. Mithin ändert sich bei arbeitender Regelung nicht wie beim herkömmlichen passiven Federbein die Federbeinlänge sondern die effektive Federsteifigkeit des Systems. Diese wird von der Reglung proportional zur Tragkraft und damit proportional zur getragenen Masse gehalten. Die Eigenkreisfrequenz der Vertikalschwingung des Fahrzeugs ist

w = V effektfiv-e Steifigkeit/Masse
und ist daher wie bei der niveaugeregelten Gasfeder unabhängig von der Zula­ dung.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der die Feder mit Hilfe eines nicht dargestellten Stellantriebs geschwenkt werden kann. Eine solche Anord­ nung ist konstruktiv einfach zu realisieren. Die wesentliche Änderung zu der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht darin, daß der zweiten Auflagepunkt 12 nunmehr ortsfest an der Karosserie 13 angeordnet ist, wobei der Hebel 4, 5 um den Auflagepunkt 12 schwenkbar ist. Der dritte Auflagepunkt 11 des ersten Endes 10 der Feder 6 ist auf einer vorzugsweise kreisförmig gekrümmten Bahn 16 derart verschiebbar, daß unabhängig von der Winkelstellung der Feder 6 deren Länge nicht verändert ist. Es bedarf keiner theoretischen Erörterung um zu erkennen, daß bei einer Verringerung der Last K der Karosserie 13 das erste Ende 10 der Feder kreisbogenförmig um einen hinreichenden Betrag verschoben werden muß, um den aus den Hebeln 4, 5 bestehenden Waagebalken 1 auch bei ver­ änderter Last in waagrechter Stellung zu halten, wie dies in Fig. 2b gezeigt ist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante mit schwenkbarer Tragfeder, bei der der untere Lagerpunkt der Tragfeder auf einem mit dem Rad verbundenen Hebel ver­ schoben wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das in Verbindung mit Fig. 2 geschilderte Prinzip umgekehrt, indem das erste Ende 10 der Feder 6 in der Karosserie 13 stationär festgehalten wird während das zweite Ende 8 der Feder auf einem Kreisbogen verschiebbar angeordnet ist. Es bedarf keiner der Erörterungen, um zu erkennen, dass bei einer großen Last der der Feder zuge­ ordnete Hebel lang gehalten werden muß während bei einer verkleinerten Last der wirksame Hebelarm der Feder 10 an dem Waagebalken verkürzt werden muß.

Der Rahmen der Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Selbstverständlich gibt es noch eine Reihe anderer Möglichkeiten, den Erfindungsgedanken in eine Konstruktion umzusetzen, als die in den Fig. 1 und 2 beispielhaft dargestellten mechanischen Getriebe. Wesentlich ist, dass eine vorgespannte Feder in das Tragkraftvariator-System eingebunden ist, dass die mechanische Übersetzung von Radeinfederung zur Federdeformation mit einem Aktuator einstellbar ist und diese Verstellung beim Nominalwert der Radeinfe­ derung (Konstruktionslage) ohne eine Längenänderung der Feder und daher ohne Stellenergieaufwand durchführbar ist. Die zugehörige elektronische Reglung (in den Figuren nicht dargestellt) ist bestrebt, für die Radeinfederung den Nomi­ nalwert zu halten. Dazu sind mindestens die Wege der Radeinfederung zu sensie­ ren. Weitere, für eine Regelung der Fahrzeug-Vertikaldynamik verwendbare Messgrößen sind Aufbaubeschleunigungen in allen Raumrichtungen und der Lenk­ winkel.

Der erfindungsgemäße mechanische Tragkraftvariator erlaubt es, die Tragkraft einer Radaufhängung mit Hilfe eines mechanischen, vorzugsweise elektromechani­ schen Stellantriebs zu variieren, ohne dass die potentielle Energie (Federenergie) der Tragfeder dazu geädert werden muss. Dem entsprechend wird im Idealfall einer unendlich schnellen Regelung Stellenergie nur zur Überwin­ dung von Reibung und zur Beschleunigung der zur Verstellung bewegten Stell­ glieder aufgewendet. Der erfindungsgemäße Tragkraftvariator erzielt die glei­ chen vertikaldynamischen Effekte wie ein Luft-ABC-Verstelleinheit - jedoch mit wesentlich weniger Aufwand.

Claims (11)

1. Federung für ein Fahrzeug, bei der eine Stahlfeder (6) sich zumindest mittelbar mit ihrem ersten Ende (10) an der Karosserie des Fahrzeugs und mit ihrem zweiten Ende (8) an der Radachse (3) abstützt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein mechanisches Hebelgetriebe (4, 5) vorgesehen ist, durch welches das mechanische Übersetzungsverhältnis von dem Einfederweg des Rades (3) gegenüber der Deformation der Feder (6) veränderbar ist.

2. Federung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstellein­ richtung zum Verstellen der Getriebesübersetzung vorgesehen ist, die bei einer Änderung der Belastung (K) des Fährzeugs die Getriebesübersetzung derart verstellt, daß die eingestellte Getriebesübersetzung die Deforma­ tionsänderung der Feder (6) minimiert.

3. Federung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver­ stelleinrichtung mit einem Waagebalken (1) versehen ist, welcher drehbar an dem Rad (3) des Fahrzeugs gelagert ist, daß sich die Feder mit ihrem zweiten Ende (8) über einen ersten Auflagepunkt (9) an dem Waagebalken abstützt und dass der Waagebalken zusätzlich noch einen zweiten Auflage­ punkt (12) besitzt, über denen sich die Karosserie (13) an dem Waagebal­ ken (1) abstützt.

4. Federung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Karosse­ rie (13) derart an dem Waagebalken abstützt, dass der Waagebalken an der Karosserie (13) in dem zweiten Auflagepunkt (12) drehbar und in ver­ tikaler Richtung nicht verschiebbar befestigt ist, wobei der zweite Auf­ lagepunkt (12) auf dem Waagebalken (1) in horizontaler Richtung durch die Verstelleinrichtung verschiebbar ist. (Fig. 1)

5. Federung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Waagebalken (1) an der Karosserie (13) drehbar aber unverschiebbar gelagert ist und dass der Abstützpunkt (11) des ersten Endes (10) der Feder (6) an der Karos­ serie (13) durch in die Verstelleinrichtung verschiebbar ist (Fig. 2).

6. Federung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützpunkt (11) der Feder an der Karosserie (13) derart verschiebbar ist, daß die Feder (6) bei sich änderndem Übersetzungsverhältnis eine geringe oder keine Längenänderung erfährt (Fig. 2).

7. Federung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützpunkt auf einer im wesentlichen kreisförmigen Konturlinie (16) an der Karosse­ rie (13) verschiebbar ist (Fig. 2).

8. Federung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Waagebalken (1) an der Karosserie (13) drehbar aber unverschiebbar gelagert ist und dass der Abstützpunkt (9) des zweiten Endes (8) der Feder (6) an einen dem Waagebalken (1) durch in die Verstelleinrichtung verschiebbar ist (Fig. 3).

9. Federung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützpunkt (9) der Feder (6) an dem Waagebalken (1) derart verschiebbar ist, daß die Feder (6) bei sich änderndem Übersetzungsverhältnis eine geringe oder keine Längenänderung erfährt (Fig. 3).

10. Federung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützpunkt (9) auf einer im wesentlichen kreisförmigen Konturlinie an dem Waagebalken (1) verschiebbar ist (Fig. 3).

11. Federung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die Verstelleinrichtung mit einer Regeleinrichtung versehen ist, die mit Sensoren verbunden ist, welche den Weg der Radeinfederung und/oder der Beschleunigung der Karosserie und/oder den Lenkwinkel messen.