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Die
Erfindung bezieht sich auf ein mehrspuriges Kraftfahrzeug mit an
Radaufhängungen
befindlichen luftbereiften Rädern.
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Bekanntlich
wird die Fahrsicherheit eines Kraftfahrzeuges wesentlich durch die
Höhe der
maximal möglichen
Querbeschleunigung bestimmt. Weiterhin wird die Fahrsicherheit vom
Eigenlenkverhalten (unter-/übersteuernd)
und vom Aquaplaningverhalten beeinflusst. Zur Steigerung der maximal
möglichen
Kurvengeschwindigkeit und/oder Querbeschleunigung ist es bekannt,
die Radaufhängungen insbesondere
von Hinterachsen mit einem kleinen negativen Sturzwinkel β, nachfolgend
kurz „Sturz" genannt, auszuführen. Außerdem ist
zu gleichem Zwecke die Verwendung von asymmetrischen Reifen bekannt,
die an der Fahrzeugaußenseite
zur gesteigerten Querkraftübertragung
einen höheren
Positivanteil aufweisen.
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Nun
fahren aber selbst sportliche Fahrzeuge überwiegend geradeaus. Bei Geradeausfahrt
hat ein von der Neutralen (0°)
abweichender Sturz den Nachteil, den Reifenverschleiß zu erhöhen. Insbesondere
wird die Laufflächenerhitzung
auf die kurveninneren Gürtelkanten
konzentriert. Deshalb weisen die meisten Radaufhängungen von Großserienfahrzeugen
nur geringe Sturzwinkel in der Größenordnung um 2° auf. Insbesondere
bei hecklastigen Fahrzeugen wie Renault Alpine A110 und VW T2 und
T3 sind an der Hinterachse auch schon etwas größere Sturzwinkel bekannt geworden,
was aber nur bei Einhaltung mindestens einer der beiden folgenden
Bedingungen vertretbar zu sein scheint: Geringe Höchstgeschwindigkeit
(bis ca. 150 km/h), geringe Achslast (bis ca. 500 kg).
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Ferner
ist es bekannt, dass die meisten Radaufhängungen über ihrem Einfederungsweg den Sturzwinkel
verändern.
Dies war besonders krass bei den inzwischen veralteten Pendelachsen
anzutreffen und wurde versucht so klein wie möglich zu halten durch einen
möglichst
großen
Abstand zwischen dem Pendeldrehpunkt und dem Radaufstandspunkt. Die
berühmtesten
Wagen mit dieser Hinterachskonstruktion waren die aus den 1950er
und 1960er Jahren bekannten Typen 300 SL, 190 SL und 220 S (Heckflosse)
von Mercedes Benz, die die sogenannte Eingelenkkonstruktion vertraten,
bei der zur Pendelverlängerung
das Differentialgetriebe in die Pendellänge eines der beiden Pendel
einbezogen wurde unter Verzicht auf eine feste Anbindung des Differentialgetriebes
am Rahmen bzw. der Karosserie.
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Als
spur- und sturzkonstant galt dagegen (und abgesehen von der elastischen
Verformung der Radführungsteile
sowie der Felge selber waren sie es auch) die Konstruktion der Kurbelachse
mit einem einzigen gezogenen torsionssteifen Längslenker (anzutreffen an der
Hinterachse bei Renault R4, R6, R5, an der Hinterachse von Citroen
DS, ID, GS, Ami 6, Dyane, 2CV) oder auch einem einzigen geschobenen
Längslenker
wie etwa an der Vorderachse von Citroen Dyane und 2CV oder auch
zwei im Sinne eines Parallelogrammes zusammenwirkende gezogene Kurbeln
wie etwa an der Vorderachse des VW Käfers.
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Schräglenkerachsen,
eine Konstruktion für Hinterachsen,
die seit dem Ende der 1960er-Jahre bis
Mitte der 80er-Jahre als das Beste angesehen wurde und sich über Porsche
911, BMW 2002tii einen sowohl sportlichen als auch über die
Mercedes-Baureihe 280S bis 450 SE 6.9 einen komfortablen Ruf erwarb,
sind gewissermaßen
ein Kompromiss aus beiden vorgenannten Bautypen, indem die Drehachse des
Achskörpers
nicht genau in Fahrtrichtung weist, wie noch bei der Pendelachse,
aber auch nicht genau quer dazu angeordnet ist, wie bei der Kurbelachse, sondern
um bevorzugte Winkel zwischen 10° und
30° zu zuletzt
genannter Ausrichtung schräg
gestellt (was zur Namensgebung führte).
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Auch
der VW T3 hatte eine solche Achskonstruktion und zwar mit auffällig starker
negativer Spureinstellung um den ansonsten zu beklagenden Sicherheitsnachteil
des übersteuernden
Eigenlenkverhaltens infolge der Hecklastigkeit bei gleichen Reifendimensionen
vorne und hinten einzugrenzen.
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Der
Schrägstellungwinkel
von Schräglenkerachsen
wurde zweckmäßigerweise
so gewählt,
dass im Zusammenhang mit der bei Kurvenfahrt sich einstellenden
Neigung des Fahrzeuges zur Kurvenaußenseite hin – woraus
eine stärkere
Radeinfederung an der kurvenäußeren Seite
resultierte und eine verringerte an der kurveninneren Seite (oder
gar eine Ausfederung) – das
kurvenäußere Rad
soweit einen negativen Sturz bekam, wie das ausweislich des Reifenquerkraftdiagrammes
für den
maximalen Querkraftaufbau zur Fahrzeugmitte hin jeweils optimal
erschien, und das (allerdings etwas weniger wichtige) kurveninnere
Rad soweit einen positiven Sturz bekam, wie das ausweislich des
Reifenquerkraftdiagrammes für
den maximalen Querkraftaufbau von der Fahrzeugmitte weg jeweils
optimal erschien.
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Während bei
der Pendelachse noch (insbesondere im Zusammenhang mit den später sich durchsetzenden
Stahlgürtelreifen)
die Sturzverstellung des Rades über
der Einfederung zu stark war, und sie deshalb störte, konnte mit letztgenannter Konstruktion
eine gerade so bemessene Sturzverstellung über dem Einfederweg erreicht
werden, dass hierdurch der Querkraftaufbau an der Hinterachse gegenüber einer
Starrachse sogar verbessert werden konnte.
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Zwei
Nachteile blieben aber auch dieser passiven Sturzverstellung:
- 1. Die vorgenannte optimale Kompromissbildung gelang
immer nur für
einen bestimmten Beladungszustand. War die tatsächliche Achslast gegenüber der
dem Kompromiss zugrunde gelegten Annahme stark erhöht, so liefen
schon bei Geradeausfahrt beide Räder
dieser Achse mit deutlichem negativem Sturz mit nachteiligen Auswirkungen
auf die Gleichmäßigkeit
des Reifenabriebes und die Walkleistungsverteilung im Reifen mit der
Gefahr der Kantenüberhitzung.
- 2. Die an sich so positive Förderung
des Querkraftaufbaus an der Hinterachse trat immer erst mit deutlicher
Verzögerung
gegenüber
dem Querkraftaufbau an der Vorderachse ein, weil zunächst das
Fahrzeug seine Neigung um die Längsachse ausführen musste.
Diese Verzögerung
in dem das Eigenlenkverhalten Richtung Untersteuern verändernden
Effekt beließ für kurze
Lenkimpulse ein übersteuerndes
Verhalten. Diese von Sportfahrern bisweilen geschätzte Eigenschaft
konnte von „Normalverbrauchern" als giftig empfunden
werden.
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Die
1984 eingeführte
Baureihe 190 von Mercedes Benz wies erstmals Mehrlenkerachsen auf. Bei
gezielter Einbringung von Weichheiten setzen solche Konstruktionen
die übertragene
Querkraft ohne den Umweg über
eine zunächst
erstmal zu erreichende Fahrzeugquerneigung, also direkter, in eine
geeignete Veränderung
des Sturzes um. Dadurch kann der maximale Querkraftaufbau an der Hinterachse
etwas flinker verlaufen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fahrsicherheit zu erhöhen ohne
Verschlechterung der Reifenlebensdauer, insbesondere auch an schnelleren
Fahrzeugen und/oder an Fahrzeugen mit höherer zulässiger Achslast. Insbesondere
ist eine Erhöhung
der maximal möglichen
Querbeschleunigung und eine Verbesserung des Aquaplaning-Verhaltens erwünscht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
mindestens eine der Radaufhängungen eine
Verstellung ihres Sturzwinkels während
der Fahrt erlaubt, und zwar ohne dass sich dafür der Einfederungsweg verändern müsste.
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Da
Fahrzeuge üblicherweise
aus Gründen der
dynamischen Stabilität
im Wesentlichen an der oder den Vorderachsen gelenkt werden, was
eine Verzögerung
im Querkraftaufbau an der oder den Hinterachsen hervorruft, ist
zur Beschleunigung und Vergrößerung des
Querkraftaufbaus die erfindungsgemäße Sturzwinkelverstellung an
der bzw. den Hinterachsen noch wichtiger als an der bzw. den Vorderachsen.
Deshalb wird für
die Fälle,
wo die bevorzugte Realisierung der Erfindung an allen Achsen nicht
in Betracht kommt (zum Beispiel aus Kostengründen), vorgeschlagen, dass
alle Radaufhängungen
der Hinterachse(n) eine Verstellung ihres Sturzwinkels erlauben.
Dies soll möglich
sein ohne dass erst eine veränderte
Einfederung der jeweiligen Radaufhängung erzeugt werden müsste; diese
Entbehrlichkeit der Einfederungsveränderung wird im Jargon der
Ingenieure auch häufig
als „Unabhängigkeit" bezeichnet, obwohl
dies sprachlich nicht ganz korrekt ist.
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Zur
Verwirklichung erfindungsgemäßer Fahrzeuge
bedarf es neuer Radaufhängungen,
deren wesentliche Merkmale alternativ in den Nebenansprüchen 4 bis
7 dargelegt sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin
zeigt:
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1 ein
Kraftfahrzeug in schematischer Darstellung (prior art),
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2a eine
Radaufhängung
in etwa maßstabsgerechter
Ansicht von hinten (prior art),
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2b Querlenker
aus 2a in etwa maßstabsgerechter
Draufsicht (prior art),
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3a eine
Radaufhängung
in etwa maßstabsgerechter
Ansicht von hinten (most preferred embodyment),
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3b längenverstellbarer
Querlenker aus 3a in etwa maßstabsgerechter
Draufsicht (detail of most preferred embodyment)
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4 eine
andere erfindungsgemäße Radaufhängung in
schematischer Darstellung,
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5 eine
andere erfindungsgemäße Radaufhängung in
schematischer Darstellung,
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6 eine
weitere erfindungsgemäße Radaufhängung in
schematischer Darstellung;
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7 die
Achse eines Kraftfahrzeuges in schematischer Darstellung.
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1 zeigt
in schematischer Draufsicht ein mehrspuriges Kraftfahrzeug 1,
das luftbereifte Räder 4a, 4b, 4c und 4d aufweist.
Jedes Rad 4a bis 4d des Kraftfahrzeuges 1 ist über eine
Radaufhängung
a bis d mit der selbsttragenden Karosserie 7 des Kraftfahrzeuges 1 verbunden.
Die Radaufhängung
kann selbstverständlich
auch – wie
dies an Fahrzeugen für gehobene
Ansprüche
zur besseren Geräuschisolation
meistens ausgeführt
wird – an
einem Hilfsrahmen angreifen der sich dann seinerseits erst auf der
Karosserie abstützen.
Alternativ zur selbsttragenden Karosserie 7 kann in dem
Kraftfahrzeug 1 auch ein Fahrgestell, auch als „Rahmen" bezeichnet, stehen.
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Die
Radaufhängungen
a und b sind der Vorderachse des Kraftfahrzeuges und den Positionen „vorne
links" bzw. „vorne
rechts" zugeordnet.
Die Radaufhängungen
c und d sind der Hinterachse des Kraftfahrzeuges und den Radpositionen „hinten
links" bzw. „hinten
rechts" zugeordnet.
Erfindungsgemäß erlaubt
mindestens eine der Radaufhängungen
c oder d, die der Hinterachse des Kraftfahrzeuges 1 zugeordnet
sind, eine aktive Verstellung ihres Sturzwinkels während der
Fahrt.
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Vorzugsweise
erlauben sämtliche
Radaufhängungen
der Hinterachse oder der Hinterachsen (wenn mehrere vorhanden sind)
des Kraftfahrzeuges 1 eine solche Verstellung des Sturzwinkels β. Auch kann
an sämtlichen
Radaufhängungen
a bis d , also sowohl an der oder den Vorderachsen als auch an der
oder den Hinterachsen, eine erfindungsgemäß aktive Sturzverstellung vorgesehen
sein.
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2a zeigt
in einer in etwa maßstabsgerechten
Ansicht von hinten eine Radaufhängung
eines Kraftfahrzeuges, zum Beispiel die Radaufhängung c des Rades 4c aus 1.
Dieses Beispiel folgt dem McPherson-Prinzip, ohne dass die Erfindung hierauf
beschränkt
wäre. Das
Rad 4c steht auf dem Untergrund 2. Die Radmittelebene
steht im Sturzwinkel β zur
Lotrechten des Untergrundes. Das Rad 4c ist über den
Querlenker 5c mit der Karosserie 7 des Kraftfahrzeuges
verbunden. Bei dem Einfederungsweg s handelt es sich um den Weg,
um den die Karosserie 7 während der Fahrt des Kraftfahrzeuges gegenüber dem
Radaufstandspunkt des Rades 4c einfedert; bei der hier
vorliegenden Konstruktion ist dies näherungsweise mit dem Federweg
der Feder selber identisch.
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2b zeigt
im gleichen Maßstab,
jedoch in Draufsicht, den in an sich bekannter Weise ausgeführten, etwa
dreieckförmigen
Querlenker 5c .
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3a zeigt
in analoger Darstellung zur 2a das
Rad 4c, wobei diesmal jedoch der im wesentlichen wiederum
dreieckförmig
ausgebildete Querlenker 5c in einen fahrzeuginneren 5c1 und
einen fahrzeugäußeren Teil 5c2 unterteilt
ist. Beide Teile sind gegeneinander teleskopierbar.
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Die
angestrebte Funktionsweise ist die folgende:
Mit Einleitung
einer Rechtskurve, für
die das linke Hinterrad flink eine starke Querkraft nach rechts,
also zur Kurvenmitte hin, aufbauen sollte, wird über eine elektronische Datenleitung
direkt vom Lenkrad her oder besser von einem Rechner her (der neben
der Drehwinkelstellung des Lenkrades insbesondere auch die Fahrgeschwindigkeit
einbeziehen sollte so wie vorzugsweise noch die Achslastverteilung)
dem Querlenker 5c der Befehl erteilt, sich zu verlängern. Dabei
wandert nicht nur der Radaufstandsmittelpunkt weiter zur kurvenäußeren Seite,
sondern es verändert
sich dadurch angesichts des beibehaltenen Anlenkpunktes A des McPherson-Federbeines
an der Karosserie auch der Sturz und zwar in der gewünschten
Weise negativ.
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Es
versteht sich, dass am nicht dargestellten gegenüberliegenden Hinterrade 4d in
dieser Fahrsituation keineswegs das Gleiche geschehen sollte, sondern
allenfalls gar nichts oder – noch
besser – genau
das Umgekehrte, also eine Verkürzung
des dortigen Querlenkers, was den Sturz in positiver Richtung verändert.
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3b zeigt
in analoger Darstellung zur 2b den
erfindungsgemäß teleskopierbaren Querlenker 5c aus 3a in
Draufsicht. Zwischen den beiden Querlenkerhälften 5c1 und 5c2 ist
eine Verstelleinrichtung 12 angeordnet, die hier und auch bei
den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen vorzugsweise
elektromotorisch ausgebildet ist, aber auch pneumatisch oder hydraulisch
ausgebildet sein kann. Mit Hilfe der elektromotorischen Verstelleinrichtung 12 lässt sich
die Länge
l des Querlenkers 6 verlängern oder verkürzen. Dazu
greift eine vom Motor 11 angetriebene Gewindestange 9 in ein
Innengewinde im drehgesicherten aber verschiebbaren Teil 5c2 von 5c.
Auch wenn dieses Detail nur am oben gezeigten Rande in gestrichelter
Linie dargestellt ist, so gilt es natürlich auch für die untere
Seite.
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Um
mit einer kurzen Führungslänge zwischen
den beiden Querlenkerhälften 5c1 und 5c2 auszukommen,
empfiehlt es sich, zwei Elektroschrittmotoren zu verwenden, sodass
sichergestellt ist, dass beide sich immer nur um den selben Winkelbetrag
drehen. Jeder Elektroschrittmotor sollte auf ein Schraubgetriebe
wirken, das die Drehbewegung in eine Längsbewegung umsetzt. Es versteht
sich, dass beide Schraubgetriebe die selbe Gewindesteigung haben
sollten. Dadurch wird erreicht, dass letztlich beide Motoren eines
Querlenkers 5 in gleicher Weise Länge zugeben oder einholen.
Hierdurch wird ein Verkanten selbst bei kurzer und damit leichter
Führung
vermieden.
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Wenn
abweichend vom McPherson-Prinzip mit einem oberen und einem unteren
Querlenker gearbeitet wird, empfiehlt sich in gleicher Weise einer Verlängerung
des unteren Querlenkers auf der kurvenäußeren Seite. Diese wird vorzugsweise
ergänzt durch
eine Verkürzung
des unteren Querlenkers auf der kurveninneren Seite. Insbesondere
bei Geländewagen
mit ihrem gefährdeten
Unterboden kann es aber auch sinnvoll sein, genau umgekehrt die
Verstelleinrichtung am jeweils oberen Querlenker vorzusehen. Natürlich ist
dann die inverse Stellmotorfunktion von Nöten, also eine Verkürzung des
oberen Querlenkers auf der kurvenäußeren Seite.
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4 zeigt
ebenfalls ein Rad 4c eines Kraftfahrzeuges in Draufsicht,
das über
eine Radaufhängung
c nach dem McPherson-Prinzip mit einer (nicht gezeigten) Karosserie
eines Kraftfahrzeuges verbunden ist. Die Radaufhängung c weist mindestens einen
Querlenker 5c auf, dessen Anlenkpunkte 11 mit Hilfe
von Verstelleinrichtungen 12 derartig verstellbar sind,
dass sich der Sturzwinkel β während der
Fahrt des Kraftfahrzeuges unabhängig
vom Einfederungsweg s (s. 2) verändern lässt.
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5 zeigt
ebenfalls ein Rad 4c eines Kraftfahrzeuges, dass auf einem
Untergrund 2 aufsteht. Das Rad 4c ist über eine
Radaufhängung 5c mit
der Karosserie 7 eines Kraftfahrzeuges verbunden. Die Radaufhängung 5c weist
einen Stoßdämpfer auf,
der über
einen Anlenkpunkt 11 mit der Radnabe 10 des Rades 4c verbunden
ist. Der Anlenkwinkel 11 der Radnabe 10 lässt sich
mit Hilfe einer Verstelleinrichtung 12 derartig verstellen,
dass sich der Sturzwinkel β (s. 2) des Rades 4c unabhängig vom
Einfederungsweg s verändern
lässt.
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6 zeigt
ein Rad 4c eines (nicht gezeigten) Kraftfahrzeuges, das
auf dem Untergrund 2 aufsteht. Das Rad ist über eine
Radaufhängung
c mit der Karosserie 7 des Kraftfahrzeuges verbunden, wobei die
Radaufhängung
c ein Federbein 13 (oder einen Stoßdämpfer) aufweist, das sich über einen
oberen Abstützpunkt 8 an
der Karosserie des Fahrzeuges 7 abstützt. Ein derartiger Aufbau
der Radaufhängung 5 mit
einem Federbein 13 ist beispielsweise bei einer „McPherson"-Radaufhängung realisiert.
Die Verstellung des Sturzwinkels β unabhängig vom
Einfederungsweg s (s. 2) wird bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
gemäß 6 dadurch
erreicht, dass der obere Abstützpunkt 8 durch
eine Verstelleinrichtung 12 verstellbar ist. Wird hierbei
der obere Abstützpunkt 8 mit
Hilfe der Verstelleinrichtung 12 in Richtung des Rades 4c innerhalb
der Karosserie 7 horizontal verschoben, so führt dies
ausgehend von einem Sturzwinkel β =
0 zu einem positiven Sturzwinkel, wohingegen eine Verschiebung des
oberen Abstützpunktes 8 mit
Hilfe der Verstelleinrichtung 12 in Richtung der Karosserie 7 ausgehend
von einem Sturzwinkel β =
0 zu einem negativen Sturzwinkel führen würde.
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7 zeigt
zwei Räder 4c, 4d eines
Kraftfahrzeuges, die auf einem Untergund 2 aufstehen und über schematisch
dargestellte Radaufhängungen 5c, 5d mit
der Karkosserie 7 des Kraftfahrzeuges verbunden sind. Die
Radaufhängungen 5c, 5d sind derart
ausgebildet, dass sich mit ihrer Hilfe der jeweilige Sturzwinkel βi, βa verstellen
lässt.
Bei einer Kurvenfahrt des Kraftfahrzeuges wird der jeweilige Sturzwinkel βi, βa derartig
verstellt, dass bei einer Kurvenfahrt nach links die Räder 4c, 4d nach
links geneigt werden, wohingegen bei einer Kurvenfahrt nach rechts
die Räder 4c, 4d nach
rechts geneigt werden. Dies wird im Folgenden anhand der 7 für eine Kurvenfahrt
nach links näher
erläutert:
In der 7 ist für
das kurveninnere Rad 4c der Sturzwinkel βi und
für das
kurvenäußere Rad 4d der
Sturzwinkel βa eingezeichnet. Der Sturzwinkel βi des
kurveninneren Rades 4c wird in positiver Richtung verstellt,
wohingegen der Sturzwinkel βa des kurvenäußeren Rades 4d in
negativer Richtung verstellt wird, so dass beide Räder 4c, 4d nach
links geneigt sind, wie auch in der 7 gezeigt
ist. Die Neigung der Räder 4c, 4d nach links
beträgt
maximal 15°,
wobei der Sturzwinkel βi nicht mit dem Sturzwinkel βa übereinstimmen
muss. Die Ausführungen
gelten für
eine Kurvenfahrt nach rechts entsprechend, wobei hier dann jedoch
das Rad 4c das kurvenäußere und
das Rad 4d das kurveninnere Rad ist. Bei einem mehrachsigem
Fahrzeug werden vorzugsweise die Räder der Hinterachse(n) in entsprechender
Art und Weise verstellt, es ist jedoch zusätzlich oder alternativ auch
eine entsprechende Verstellung des Sturzwinkels bzw. der Sturzwinkel
an der oder den Vorderachse(n) des Kraftfahrzeuges möglich.
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Die
folgende Bezugszeichenliste ist Teil der Beschreibung:
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Untergrund
- 3
- Radaufstandspunkt
- 4a–4d
- Rad
- a–d
- Radaufhängung
- 5a–5d
- Querlenker
- 5c1
- eine
Hälfte
des Querlenkers 5c
- 5c2
- andere
Hälfte
des Querlenkers 5c
- 7
- Karosserie
- 8
- oberer
Abstützpunkt
- 9
- Gewindestange
- 10
- Radnabe
- 11
- Anlenkpunkt
- 12
- Verstelleinrichtung
- 13
- Federbein