DE102004031267A1 - Radführung für ein Fahrzeugrad - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radführung für ein Fahrzeugrad mit einem körperlich ausgeführten Führungsbahn-Element, längs dessen der Radträger des Fahrzeugrades durch magnetische Felder geführt wird. Insbesondere bei einem zweispurigen Fahrzeug ist das Führungsbahn-Element am Fahrzeug-Aufbau befestigt, während geeignete Magneten zur Erzeugung der magnetischen Felder dem Radträger zugeordnet sind, es ist jedoch auch die kinematische Umkehrung möglich. Als Magneten können Elektromagneten und/oder Permanentmagneten und/oder supraleitende Magnetspulen vorgesehen sein. Auch die Federungs- und Dämpfungsfunktion für die Radbewegung kann durch eine geeignete geregelte Ansteuerung der Magnetspulen dargestellt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Radführung für ein Fahrzeugrad, insbesondere für ein zweispuriges Fahrzeug. Herkömmliche Radaufhängungen erfüllen die kinematischen und elastokinematischen Anforderungen an die Führung des Fahrzeug-Rades mit kinematischen Ketten von Lenkern und Gelenken, die den Radträger und damit das Rad gegenüber dem Fahrzeug-Aufbau führen. Für hohe Ansprüche an Fahrdynamik und Fahrkomfort hat sich beispielsweise das Doppelquerlenker-Prinzip und dessen Varianten wie Raumlenker- oder Fünflenkerachsen durchgesetzt. Dabei ermöglicht die Anordnung der Lenker und Gelenke einerseits die Optimierung der kinematischen Kenngrößen (Sturz, Vorspur, Brems- und Anfahrstützwinkel, Rollzentrumshöhe und – änderung) und die Entkopplung von Unebenheiten, Stößen und akustischen Störungen andererseits. Über die gezielte Abstimmung der Elastizitäten in den Bauteilen und Gummilagern lässt sich darüber hinaus das Eigenlenkverhalten des Fahrzeugs unter äußeren Kräften steuern. Die Federung und Dämpfung der Radbewegung gegenüber dem Aufbau in Vertikalrichtung übernimmt im allgemeinen eine Stahl- oder Luftfeder in Kombination mit einem hydraulischen Teleskop-Stoßdämpfer in Ein- oder Zweirohrbauweise.
• Die Bauteile der Radführung, nämlich die Lenker, Gelenke, Gummilager, etc. sowie die weiteren Elemente für die Federung und Dämpfung beanspruchen naturgemäß Bauraum, der insbesondere bei zweispurigen Fahrzeugen anderweitig genutzt werden könnte, bspw. im Bereich der Fahrzeug- Hinterachse für die Karosseriestruktur oder für die Abgasanlage des Fahrzeug-Antriebsaggregats oder für einen Kraftstoffbehälter hierfür. Ein eingeschränktes Innenraumangebot (Kofferraum, Rücksitzbank, Durchladebreite...) ist die Folge. An (gelenkten) Vorderachsen wird durch Lenker und Federung/Dämpfung der Bauraum für die crashrelevanten Karosserielängsträger sowie die Einbaubreite für das Fzg.-Antriebsaggregat eingeschränkt. Auch der Wendekreis des Fahrzeugs ist vom notwendigen Freigang zu diesen Bauteilen betroffen. Darüber hinaus weisen die verwendeten Kugelgelenke insbesondere unter Last ein Losbrechmoment und Lagerreibung auf, die das Ansprechverhalten der Fahrzeug-Achse und damit den Fahrkomfort negativ beeinflussen. Auch die Gummilager können aus fahrdynamischen Gründen nicht immer so weich ausgelegt werden, wie es für eine gute akustische Entkopplung wünschenswert wäre.
• Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
• Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich mit einer Radführung für ein Fahrzeugrad mit einem körperlich ausgeführten Führungsbahn-Element, längs dessen der Radträger des Fahrzeugrades durch magnetische Felder geführt wird. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• Vorgeschlagen wird somit eine räumliche Führung des Radträgers und damit des Rades praktisch in ähnlicher Weise wie von konventionellen Doppelquerlenkerachsen bekannt, jedoch abweichend hiervon nicht in Form einer virtuellen Führungsbahn, die durch kinematische Ketten von Lenkern und Gelenken definiert ist, sondern in Form einer reellen Führungsbahn über ein körperlich ausgeführtes Führungsbahn-Element aus metallischem Werkstoff, an dem entlang der Radträger über magnetische Felder positioniert und geführt wird. Dabei sind sowohl eine aufbaufeste Führungsbahn und gegenüber dem Aufbau bewegliche Magneten zur Erzeugung der magnetischen Felder, als auch die kinematische Umkehr hiervon, nämlich aufbau feste Magneten und ein hiergegen bewegliches Führungsbahn-Element, möglich. Die Magneten zur Erzeugung der genannten magnetischen Felder können Elektro- oder Permanentmagneten sein, je nach Anforderung auch supraleitende Magnetspulen wie bspw. aus der Technik der japanischen Magnetschwebebahn (MAGLEV) bekannt. Damit ein Zusammenwirken des Führungsbahn-Elementes mit den Magnetfeldern möglich ist, wird als Werkstoff für das Führungsbahn-Element ein geeignetes Metall vorgeschlagen.
• Vorgeschlagen wird hier somit eine körperlich ausgeführte Führungsbahn für die Bewegung des Rades gegenüber dem Fahrzeug-Aufbau, wohingegen beim üblichen Stand der Technik mit mehreren Lenkern und Gelenken eine virtuelle Führungsbahn vorliegt. Vorgeschlagen wird ferner, die Führung über das körperlich ausgeführte Führungsbahn-Element über Magnetfelder zu realisieren und nicht über mechanisches Abwälzen oder aneinander entlang Gleiten zweier Bauteile. Letzteres wäre nämlich im Hinblick auf erwünschtermaßen gekrümmt verlaufende Führungsbahnen aufwändig zu realisieren und ferner mit unvertretbar hohen Reibungsverlusten bzw. Losbrechmomenten verbunden. Bei einer Führung über Magnetfelder hingegen ist das Führungsbahn-Element von dem oder den Magneten, mit Hilfe dessen bzw. derer diese Magnetfelder erzeugt werden, durch einen Spalt beabstandet.
• In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spalte bzw. Luftspalte zwischen dem oder den die Magnetfelder erzeugenden Magneten und dem Führungsbahn-Element in den drei räumlichen Haupt-Dimensionen unterschiedlich bemessen. So liegt in Vertikalrichtung der größte Spalt bzw. Luftspalt zur Realisierung der Einfederbewegung des Rades vor, während in Längsrichtung des Fahrzeugs ein geringerer Spalt für definierte Längsfederung und in Querrichtung des Fahrzeugs der kleinste Spalt für eine hohe Quersteifigkeit der Radführung vorliegen kann.
• Eine Ausführungsform der Radaufhängung mit magnetischer Radführung – wie vorgeschlagen mit einem körperlich ausgeführten Führungsbahn-Element und zumindest einem damit zusammenwirkenden Magneten – sowie mit einer konventionellen Federung und Dämpfung ist ebenso möglich wie eine Weiterentwicklung, bei welcher die Federungs- und Dämpfungsfunktion durch eine geeignet geregelte Ansteuerung der dann elektrischen Magnetspulen dargestellt wird. Dabei wird vorteilhafterweise beim Einfedern durch erhöhte Erregung der Spulen eine höhere Tragkraft eingestellt und beim Ausfedern eine geringere Kraft durch reduzierte magnetische Erregung, so dass sich ein Radlastdiagramm mit progressiver Zunahme der Radaufstandskraft über dem Einfederweg ergibt. Durch eine gezielte Variation der Erregung lässt sich das Schwingverhalten von Fzg.-Aufbau und Rad so steuern, dass die gewünschte Dämpfung erreicht wird und ein konventioneller Teleskop-Dämpfer entfallen kann.
• Als Ein- und Ausfederwegbegrenzung für die Bewegung des Fzg.-Rades gegenüber dem Fzg.-Aufbau kann ein mechanischer Anschlag beispielsweise in Form einer Gummi- oder PUR-Feder vorgesehen sein. Auf diesem Anschlag sitzt der Fahrzeugaufbau ohne Magnetfelder, d.h. im stromlosem Zustand auf, wenn nicht eine zusätzliche mechanische Verrastung oder Verriegelung vorgesehen ist, die eingreift, wenn das Fahrzeug abgestellt wird und dann den Fahrzeug-Aufbau vorzugsweise auf Normallage hält.
• Das Führungsbahn-Element bzw. die genannte durch dieses beschriebene Führungsbahn ist zur Erfüllung der kinematischen Anforderungen an die Radführung vorzugsweise dreidimensional gekrümmt, was bei der Auslegung der Magnete und Luftspalte berücksichtigt werden muss. Für geringere Ansprüche an die Radführung ist auch eine zweidimensionale Krümmung, ggf. auch mit konstantem Radius, möglich.
• Für eine gelenkte Ausführungsform an einer Fahrzeug-Vorderachse mit lenkbaren Fahrzug-Rädern ist es möglich, den gesamten Führungsmechanismus, der aus dem Führungsbahn-Element und dem oder den hiermit zusammenwirkenden Magneten besteht, über vorzugsweise zwei Kugelgelenke oder zumindest ein Scharniergelenk drehbar am Fahrzeug-Aufbau befestigt. Die Lenkbewegung selbst kann dann durch ein konventionelles Lenkgetriebe mit Spurstange oder einen separaten vorzugsweise radindividuellen Lenkaktuator ausgeführt werden. Mit dem gleichen Mechanismus ist auch eine Hinterradlenkung darstellbar, aus Package- und Sicherheitsgründen sinnvollerweise mit geringeren Lenkeinschlägen.
• Zur Erzielung von elastokinematischen Effekten und zur weiteren Entkopplung von Störungen ist eine Kombination mit Gummilagern vorstellbar, die dann zwischen dem Führungsmechanismus, der aus dem Führungsbahn-Element und den hiermit zusammenwirkenden Magneten besteht, und dem Fahrzeug-Aufbau bzw. der Karosserie vorgesehen sind. Im Unterschied zu konventionellen Lenkergummilagern haben diese Gummilager aber keine Gelenkfunktion mehr, da sie keinen Bewegungsfreiheitsgrad zur Verfügung stellen müssen, und können damit ausschließlich auf Belange der akustischen Isolierung ausgelegt werden. Durch gezielte Anordnung können Lenkeffekte unter äußeren Kräften erreicht werden (z.B. ein Untersteuereffekt an der Hinterachse durch ein Lager vor und zwei Lager hinter der Radmitte).
• Die beigefügte Skizze zeigt ein Fahrzeug-Rad mit einer entsprechenden Radführung in einer Ansicht von innen, d.h. vom nicht dargestellten Aufbau eines zweispurigen Kraftfahrzeugs auf dieses mit der Bezugsziffer 1 gekennzeichnete Rad. Der zugehörige Radträger ist mit der Bezugsziffer 2 versehen und trägt über einen Arm 3 ein Luftfederelement 4 mit integriertem und daher nicht sichtbarem Dämpfer, auf dem sich der Fahrzeug-Aufbau abstützt. Ferner sind am Radträger 2 zwei Magneten 5 befestigt, durch die hindurch jeweils ein körperlich ausgeführtes sog. Führungsbahn-Element 6 verläuft, das über einen Haltebügel 7, der an den beiden Enden des Führungsbahn-Elementes 6 angreift, am Fahrzeug-Aufbau befestigt ist (nicht dargestellt).
• Beim Führungsbahn-Element 6 handelt es sich um ein metallisches, beliebig gekrümmt verlaufendes stabförmiges und dabei im wesentlichen in Vertikalrichtung ausgerichtetes Bauteil. Der Querschnitt dieses Bauteils kann kreisförmig sein. Unter Bildung eines umlaufenden Luftspaltes ist jedes Führungsbahn-Element 6 von einem Magneten 5 bevorzugt in Form einer Elektromagnetspule, umgeben, derart, dass sich das Führungsbahn-Element 6 gegenüber diesem Magneten 5 längs seiner Längsachse, d.h. im wesentlichen in Vertikalrichtung bewegen kann. Wird der Magnet 5 durch geeignete Beaufschlagung mit elektrischem Strom geeignet angesteuert, entsteht somit ein geeignetes Magnetfeld, durch das der Magnet 5 bei einer Verlagerung des Fzg.-Aufbaus gegenüber dem Radträger 2 in Vertikalrichtung gegenüber dem bzw. entlang dem Führungsbahn-Element 6 bzw. auf der durch dessen Formgebung festgelegten Führungsbahn geführt wird. Bei einer im wesentlichen vertikalen Bewegung des Fzg.-Rades 1 gegenüber dem Fzg.-Aufbau kann somit durch entsprechende Formgebung des Führungsbahn-Elementes 6 die jeweils gewünschte Radführungs-Kinematik (Sturz, Vorspur, Brems- und Anfahrstützwinkel, Rollzentrumshöhe und -änderung) auf relativ einfache Weise erzielt werden.
• Selbstverständlich können eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen; stets erhält man jedoch mit einer erfindungsgemäßen Radführung eine Vielzahl von Vorteilen, so insbesondere Bauraumvorteile durch Entfall von Lenkern, Gelenken und ggf. Hinterachsträgern, weitere Bauraumvorteile, wenn zusätzlich die Federungs- und/oder Dämpfungsfunktion in die Magnetführung integriert wird. Hierdurch ergibt sich ein erhöhtes Innenraumangebot im Fahrzeug und es ist eine verbesserte Karosseriestruktur möglich. Eine erfindungsgemäße Radführung zeichnet sich durch gutes Ansprechverhalten wegen fehlender Losbrech- und Reibmomente aus sowie durch eine gute Entkopplung von akustischen Störungen, da keine mechanische Verbindung zwischen dem Rad und dem Fahrzeugaufbau (mit Ausnahme von Abtriebswellen) vorhanden ist. Durch gezielte Längsfederung kann eine gute Entkopplung von Stößen erreicht werden und ggf. vorhandene Gummilager können ausschließlich zu Isolationszwecken und für elastokinematische Effekte ausgelegt werden, da diese keine Gelenkfunktion mehr übernehmen müssen.

Claims (8)

1. Radführung für ein Fahrzeugrad (1) mit einem körperlich ausgeführten Führungsbahn-Element (6), längs dessen der Radträger (2) des Fahrzeugrades (1) durch magnetische Felder geführt wird.
2. Radführung nach Anspruch 1 insbesondere für ein zweispuriges Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsbahn-Element (6) am Fahrzeug-Aufbau befestigt und geeignete Magneten (5) zur Erzeugung der magnetischen Felder dem Radträger (2) zugeordnet sind, oder dass das Führungsbahn-Element am Radträger befestigt und geeignete Magneten zur Erzeugung der magnetischen Felder dem Fahrzeug-Aufbau zugeordnet sind.
3. Radführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Magneten (5) Elektromagneten und/oder Permanentmagneten und/oder supraleitende Magnetspulen vorgesehen sind.
4. Radführung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspalte zwischen den Magneten (5) und dem Führungsbahn-Element (6) in den drei räumlichen Dimensionen unterschiedlich bemessen: sind, derart, dass in Vertikalrichtung der größte Luftspalt zur Realisierung der Einfederbewegung des Rades vorgesehen ist, dass in Längsrichtung des Fahrzeugs ein geringerer Spalt für eine definierte Längsfederung und in Querrichtung des Fahrzeugs der kleinste Spalt für eine hohe Quersteifigkeit der Radführung vorgesehen ist.
5. Radführung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federungs- und Dämpfungsfunktion für die Radbewegung durch eine geeignete geregelte Ansteuerung der Magnetspulen dargestellt wird.
6. Radführung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ein- und Ausfederwegbegrenzung ein mechanischer Anschlag oder eine mechanische Verrastung oder Verriegelung vorgesehen ist, der bzw. die eingreift, wenn das Fahrzeug abgestellt wird.
7. Radführung nach einem der vorangegangenen Ansprüche für ein lenkbares Fahrzeugrad, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Führungsbahn-Element und den hiermit zusammenwirkenden Magneten bestehende Führungsmechanismus über vorzugsweise zwei Kugelgelenke oder ein Scharniergelenk drehbar am Fahrzeug-Aufbau befestigt ist.
8. Radführung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem aus dem Führungsbahn-Element und den hiermit zusammenwirkenden Magneten bestehenden Führungsmechanismus und dem Fahrzeug-Aufbau Gummilagerelemente vorgesehen sind.