DE102007024770A1

DE102007024770A1 - Aktives Fahrwerk für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102007024770A1
Application number: DE102007024770A
Authority: DE
Inventors: Michael Glanzer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-05-26
Filing date: 2007-05-26
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein aktives Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Radaufhängungseinrichtung für jeweils zwei sich gegenüberliegende Räder, bei der jedem Rad ein Aktuator zur Niveauänderung des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, der mindestens aus einem Verstellantrieb aus Elektromotor und Getriebe und aus einem Gehäuse besteht und mit einem gefederten Teil des Kraftfahrzeugs verbunden über ein Element mit Drehfedereigenschaften auf die Radaufhängung einwirkt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich das Element mit Drehfedereigenschaften im Wesentlichen durch den gesamten Aktuator hindurcherstreckt und an dessen getriebeseitigem Ende mit dem Aktuatorantrieb verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Radaufhängungseinrichtung für jeweils zwei sich gegenüberliegende Räder, bei der jedem Rad ein Aktuator zur Niveauänderung des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Es ist bereits ein aktiver Stabilisator für ein Kraftfahrzeug bekannt, der zwei Räder einer Fahrzeugachslinie koppelt und der aus einem dem einen Rad zugeordneten ersten Stabilisatorteil und aus einem dem anderen Rad zugeordneten zweiten Stabilisatorteil, sowie aus einem die Stabilisatorteile koppelnden Aktuator besteht. Der Aktuator steuert die Seitenneigung des Kraftfahrzeugs durch Verspannen der Stabilisatorteile gegeneinander. Jedes Stabilisatorteil erstreckt sich von einem dem Aktuator zugeordneten Anschluss zu einem dem Rad zugeordneten Anschluss. Einen solchen Stabilisator beschreibt die DE 199 30 444 C2 . Für ein an jeder Achse aktiv geregeltes zweiachsiges Kraftfahrzeug sind hier zwei Aktuatoren nötig.
Des weiteren sind aktive Fahrwerke bekannt, bei denen jedem Rad ein Aktuator zugeordnet ist, zum Beispiel zur Kompensation von Wank- und Nickbewegungen eines Kraftfahrzeugs, wie in der DE 100 43 711 B4 beschrieben.
Hier werden die herkömmlichen Stabilisatoren durch aktive Schwenkmotoren ersetzt. Dadurch ist es möglich, in das Wankverhalten und Kopieren des Fahrzeugs infolge einseitiger Fahrbahnanregungen aktiv einzugreifen.
Mit aktiven Stabilisatoren kann nur der Rollfreiheitsgrad sowie die Radlastdifferenz von Vorderachse und Rinderachse beeinflusst werden. Zum zusätzlichen aktiven Beeinflussen der Freiheitsgrade Nicken und Huben ist es erforderlich, dass an jedem Rad individuelle Kräfte aktiv gestellt werden können. Hierfür gibt es zum Beispiel auch eine hydraulische Federfußpunktverstellung. Probleme dieser Ausführungsart bestehen darin, dass das System rein hydraulisch ist und aufgrund des Open-Center-Prinzips und interner Leckagen eine ständige Leistungsaufnahme aufweist, auch wenn keine Leistung von den Aktuatoren benötigt wird.
Elektrische Federfußpunktverstellungen haben den großen Nachteil des zusätzlichen Bauraumbedarfs im Zuwachs von Federbeindurchmesser und/oder Federbeinlänge. Weiterhin erscheint diese Federbein-Aktuatoranordnung für den Hinterwagen mit entsprechend großer Durchladebreite eher ungeeignet, da diese Federbeinanordnung länger ist als ein konventionelles Federbein.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei einem Federbeinkonzept der Verfahrweg des Aktuators entscheidend in die Baulänge des Systems eingeht.
Eine Federfußpunktverstellung weist einen weiteren Nachteil auf. Es steht nur beschränkt Baulänge zur Verfügung und damit auch kein beliebig großer Verfahrweg zum Aufbringen der Kräfte. Daher müssen die Tragfedern härter sein, um auch bei dem zur Verfügung stehenden Verfahrweg die geforderten Kräfte aufzubringen, was sich in einem schlechteren Abrollkomfort niederschlägt. Das Aktivsystem stellt nur im Bereich des Aufbaueigenfrequenzbereiches aktiv Kräfte, nicht im höherfrequenten Bereich, der für den Abrollkomfort von Bedeutung ist. Dies kann teilweise durch eine weichere Dämpferauslegung kompensiert werden, jedoch nicht vollständig. Somit muss entsprechend viel Energie in die Ausregelung der Störgrößen verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden. Bei geringeren Kosten sollen alle Funktionen mit einem aktiven Fahrwerk nach der Erfindung erfüllbar sein.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach der Erfindung ist ein Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Radaufhängungseinrichtung für jeweils zwei sich gegenüberliegende Räder, bei der jedem Rad ein Aktuator zur Niveauänderung des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, der mindestens aus einem Verstellantrieb aus Elektromotor und Getriebe und aus einem Gehäuse besteht und mit einem gefederten Teil des Kraftfahrzeugs verbunden, über ein Element mit Drehfedereigenschaften auf die Radaufhängung einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Element mit Drehfedereigenschaften im wesentlichen durch den gesamten Aktuator hindurch erstreckt und an dessen getriebeseitigem Ende mit dem Aktuatorabtrieb verbunden ist.
Dadurch, dass das Getriebe mit dem Ende des Torsionsstabes verbunden und der Motor als Hohlwellenmotor ausgeführt und konzentrisch um den Torsionsstab angebracht ist, wird vorteilhafterweise eine möglichst große wirksame Länge des Torsionsstabes erreicht, was die Steifigkeit des Torsionsstabes begrenzt, damit dieser innerhalb der Auslegungsgrenzen der sinnvollen Federraten verbleibt. Ein weiterer Vorteil des Torsionsfederprinzips besteht darin, dass zum Aufbringen der Kräfte ein Weg, bzw. ein Winkel gestellt werden muss. Im Vergleich zu einem Federbeinkonzept, bei dem der Verfahrweg maßgeblich die Baulänge des Federbeines bestimmt, erfolgt hier eine rotatorische Bewegung, die sich nicht negativ auf den Bauraum des Systems auswirkt.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor so gestaltet ist, dass sich dessen Stator und Rotor mindestens teilweise um das Element mit Drehfedereigenschaften herum erstrecken. Das hat den Vorteil, dass das Element mit Drehfedereigenschaften zentrisch in der Mitte des Aktuators durch diesen hindurch geführt werden kann. Ebenfalls vorteilhaft ist hierfür eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Getriebe ein ein- oder zweistufiges Planetengetriebe und/oder ein harmonisches Getriebe ist. Durch die Integration des Aktuators um den Torsionsstabs herum kann die Baulänge optimiert werden und damit die Drehfederelastizität einen ausreichenden Wert annehmen ohne mit der Baulänge in Konflikt zu geraten.
Als Getriebe ist hier ein Getriebe mit einer relativ großen Übersetzung zu verwenden, im Bereich von 1:100 bis 1:200, um den Elektromotor klein halten und trotzdem die großen am Torsionsstab anfallenden Momente aufbringen zu können. Diese großen Übersetzungen können beispielsweise mit harmonischen Getrieben erreicht werden. Bei einem beispielsweise verwendeten Harmonic-Drive-Getriebe ist der Wave-Generator hohl ausgeführt, das Element mit Drehfedereigenschaften wird durch den Wave-Generator durchgeführt und auf der Abtriebsseite mit dem Flex-Spline verbunden. Ein etwaiges zusätzlich zwischen Elektromotor und Harmonic-Drive-Getriebe verwendetes Umlaufgetriebe ist in diesem Fall auch so auszuführen, dass das Sonnenrad als Hohlwelle ausgeführt wird, durch welches das Element mit Drehfedereigenschaften hindurchgeführt werden kann. Falls ein zusätzliches Umlaufgetriebe verwendet wird, ist es vorzugsweise zwischen Elektromotor und Harmonic-Drive-Getriebe anzuordnen. Aber auch eine Anordnung zwischen dem Harmonic-Drive-Getriebe und dem Element mit Drehfedereigenschaften ist denkbar.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die beiden Elemente mit Drehfedereigenschaften zweier gegenüberliegender Räder über ihre Aktuatoren, insbesondere in etwa mittig, karosseriefest angebunden. Dies stellt eine Anordnung der Elemente mit Drehfedereigenschaften dar, die einfach in das Fahrzeugpackage integrierbar ist und ohne große Änderungen gegenüber einem passiven Fahrwerk verbaut werden kann. Idealerweise sind die Elemente mit Drehfedereigenschaften konzentrisch anzuordnen und/oder möglichst weich auszulegen, unter Berücksichtigung der Randbedingungen maximale Schubspannung und mögliche Länge des torsionswirksamen Bereiches. Diese Anforderungen können dazu führen, dass die Länge der Elemente mit Drehfedereigenschaften bei konzentrischer Anordnung nicht ausreicht und andere Anordnungsprinzipien erforderlich werden. Ein solches wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung verwirklicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die beiden Elemente mit Drehfedereigenschaften über die gesamte Breite zwischen den beiden aufzuhängenden Rädern erstrecken.
Dazu können die die beiden Elemente mit Drehfedereigenschaften vorzugsweise in der yx-Fahrzeugebene bzw. einer der xy-Fahrtzeugebene ähnlichen Ebene um wenige Grad verdreht sein, so dass die beiden Elemente mit Drehfedereigenschaften mit ihren Aktuatoren parallel aneinander vorbeigeführt werden. Der Drehwinkel ist so zu wählen, dass der Abstand des einen Elementes mit Drehfedereigenschaften zum Aktuator des anderen Elementes mit Drehfedereigenschaften einen ausreichenden Freigang gewährleistet. Bei genügend Bauraum ist es auch möglich, die beiden Elemente mit Drehfedereigenschaften in der yz Ebene übereinander anzuordnen. Es sind auch Positionierebenen zwischen diesen beiden genannten Ebenen möglich. Des weiteren wird vorgeschlagen, die Befestigung des Aktuators an der Lagerstelle des gegenüberliegenden Torsionsstabes vorzunehmen. Damit können beide Torsionsstäbe als eine Einheit am Fahrzeug bzw. am Achsträger montiert werden. Zudem entfällt dadurch ein Mehraufwand aus Halterung und Verschraubungsaufwand, falls die Aktuatoren separat am Fahrzeug bzw. am Achsträger montiert werden müssen.
Zur aktiven Regelung ist vorteilhafterweise jeder Aktuator mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden, die als Ausgangsgrößen Stellsignale für die Aktuatoren erzeugt. Dabei ist die Steuer- oder Regeleinrichtung mit Sensoren, insbesondere mit mindestens einem Höhensensor und/oder einem Geschwindigkeitssensor und/oder einem Beschleunigungssensor, verbunden, deren Messwerte Eingangsgrößen für die Steuer- bzw. Regeleinrichtung sind. So kann die Steuer- oder Regeleinrichtung durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren einen Nickausgleich und/oder einen Wankausgleich und/oder eine aktive Beeinflussung der Hubbewegung des Kraftfahrzeugs, was auch eine Niveauregelung einschließt, bewirken.
Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreibt die nachfolgende Beschreibung mit der zugehörigen Zeichnung. Es zeigen:
1: eine schematisch dargestellte Aufhängung eines Rades eines Kraftfahrzeugs nach der Erfindung,
2: den Aktuator aus 1, als Teilschnitt, schematisch dargestellt,
3: eine Ausführungsform einer Radaufhängungseinrichtung zweier gegenüberliegender Räder mit einem Fahrschemel, räumlich schematisch gezeichnet, gemäß der Erfindung und
4: eine weitere Ausführungsform einer Radaufhängungseinrichtung zweier gegenüberliegender Räder mit einem Fahrschemel, räumlich schematisch gezeichnet, gemäß der Erfindung.
1 zeigt Teile einer Aufhängung eines Rades 1 eines nicht gezeichneten Kraftfahrzeugs. Ähnlich zum Ausführungsprinzip heutiger passiver Fahrwerke wird ein nicht gezeichneter Dämpfer und eine Tragfeder 2 neben weiteren üblichen Radtragmitteln zur Führung des Rades 1 verwendet. Die Radaufhängungseinrichtung des hinteren Rades 1 ist schematisch und nicht vollständig gezeichnet. Sie lagert das Rad 1 gedämpft und abgestützt an einem Querlenker 11. Der Querlenker 11 ist über ein Element mit Drehfedereigenschaften 4 mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs verbunden. Zwischen Karosserie und dem Element mit Drehfedereigenschaften 4 ist ein elektromechanischer Rotationssteller als Aktuator 3 einer Stelleinrichtung, insbesondere auch zur Niveauänderung des Kraftfahrzeugs, eingebracht. Der Aktuator 3 beaufschlagt den Querlenker 11 über das Element mit Drehfedereigenschaften 4 zur Niveauregelung. Als Element mit Drehfedereigenschaften 4 wird ein erstes Teil eines geteilten Stabilisators eingesetzt, das mit dem Aktuatorabtrieb 9 verbunden, über den Aktuator 3 an einem nicht gezeichneten Achsträger oder karosseriefest angebunden ist. Wie oben bereits angeführt wird zusätzlich zum Element mit Drehfedereigenschaften 4 eine Tragfeder 2 zur Radführung verwendet, welche die statische Last des Kraftfahrzeugs trägt. Diese Tragfeder 2 ist vorzugsweise sehr weich ausgeführt, damit die Gesamtfedersteifigkeit der Radaufhängungseinrichtung nicht wesentlich über der eines passiven Fahrwerks liegt. Das Element mit Drehfedereigenschaften 4 nimmt hauptsächlich Kräfte aus der Einfederung des Rades 1 auf.
Das Aufbringen der Aktivkräfte auf das Element mit Drehfedereigenschaften 4 kann wahlweise mit verschiedenen Aktuatoren 3 erfolgen. Es besteht die Möglichkeit, sowohl rein hydraulische Aktuatoren, in Form von Schwenkmotoren zu verwenden. Alternativ ist die Verwendung eines elektrohydraulischen Aktuators denkbar, bei dem der hydraulische Schwenkmotor mit einer elektrohydraulischen Pumpe kombiniert wird. Die durch die Erfindung favorisierte Aktuatorik ist hier jedoch ein elektromotorischer Antrieb, wie in 2 dargestellt.
Der dem Rad 1 zugeordnete Aktuator 3 zur Niveauänderung des Kraftfahrzeugs besteht mindestens aus einem Verstellantrieb aus Elektromotor 5, Getriebe 6 und aus einem Gehäuse 7. Er ist mit einem gefederten Teil des Kraftfahrzeugs fest verbunden und wirkt über ein Element mit Drehfedereigenschaften 4 auf die Radaufhängung zur Niveauregelung ein. Das Element mit Drehfedereigenschaften 4 erstreckt sich durch den gesamten Aktuator 3 hindurch und ist an dessen getriebeseitigem Ende 8 mit dem Aktuatorabtrieb 9 verbunden. Dabei ist der Elektromotor 5 so gestaltet, dass sich dessen Stator und dessen Rotor um das Element mit Drehfedereigenschaften 4 herum erstrecken. Das Getriebe 6 ist ein harmonisches Getriebe und das Element mit Drehfedereigenschaften 4 ist karosserieseitig über ein Lager 10 nach dem Stand der Technik an einem hier nicht gezeichneten Fahrschemel angebracht.
Die Vorteile liegen darin, dass, insbesondere für die Hinterachse, bauraumgerecht, radindividuell Aktivkräfte aufgebracht werden können, ohne dass Bauraumprobleme bezüglich Federbeinlänge und -durchmesser in Kauf genommen werden müssen, wie es bei einer Federfußpunktverstellung als Federbeinkonzept der Fall ist.
Die 4 und 5 zeigen den Fahrschemel 12 der Radaufhängungseinrichtung für jeweils zwei sich gegenüberliegende Räder 1 in zwei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, mit jeweils verschiedener Anordnung der Aktuatoren 3. Jedem der in diesen Figuren nicht gezeichneten Rädern 1 einer Achslinie ist ein Aktuator 3 zur Niveauänderung des Kraftfahrzeugs zugeordnet. In 3 erstrecken sich die beiden Elemente mit Drehfedereigenschaften 4 jeweils über die gesamte Breite zwischen den beiden aufzuhängenden Rädern 1, was für die wirksame Torsionslänge von Vorteil ist. In 4 sind die beiden Elemente mit Drehfedereigenschaften 4 zweier gegenüberliegender Räder 1, jeweils über ihre Aktuatoren 3, jeweils aneinander anschließend, in etwa in der Mitte der Karosserie an diese angebunden.
Um das Komfortpotential der Radaufhängungseinrichtung weiter auszubauen, kann diese mit amplitudenselektiven Dämpfern kombiniert werden. Bei kleinamplitudigen Bewegungen um die Nulllage des Dämpferweges werden dann nur sehr kleine Dämpfkräfte erzeugt, erst bei höheramplitudigen Bewegungen steigen die Dämpfkräfte an, um die Radschwingungen stärker zu bedämpfen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19930444 C [0002]
- DE 10043711 B4 [0003]

Claims

Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Radaufhängungseinrichtung für jeweils zwei sich gegenüberliegende Räder (1), bei der jedem Rad (1) ein Aktuator (3) zur Niveauänderung des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, der mindestens aus einem Verstellantrieb aus Elektromotor (5) und Getriebe (6) und aus einem Gehäuse (7) besteht und mit einem gefederten Teil des Kraftfahrzeugs verbunden, über ein Element mit Drehfedereigenschaften (4) auf die Radaufhängung einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Element mit Drehfedereigenschaften (4) durch den im wesentlichen gesamten Aktuator (3) hindurch erstreckt und an dessen getriebeseitigem Ende (8) mit dem Aktuatorabtrieb (9) verbunden ist.
Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (5) so gestaltet ist, dass sich dessen Stator und Rotor mindestens teilweise um das Element mit Drehfedereigenschaften (4) herum erstrecken.
Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (6) ein ein- oder zweistufiges Planetengetriebe und/oder ein harmonisches Getriebe ist.
Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elemente mit Drehfedereigenschaften (4) zweier gegenüberliegender Räder (1) über ihre Aktuatoren (3), insbesondere in etwa mittig, karosseriefest angebunden sind.
Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Elemente mit Drehfe dereigenschaften (4) über die gesamte Breite zwischen den beiden aufzuhängenden Rädern (1) erstrecken.
Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Aktuator (3) mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung verbunden ist, die als Ausgangsgrößen Stellsignale für die Aktuatoren (3) erzeugt.
Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung mit Sensoren, insbesondere mit mindestens einem Höhensensor und/oder einem Geschwindigkeitssensor und/oder einem Beschleunigungssensor, verbunden ist, deren Messwerte Eingangsgrößen für die Steuer- bzw. Regeleinrichtung sind.
Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- oder Regeleinrichtung durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren (3) eine Nickbewegung und/oder eine Wankbewegung und/oder eine Hubbewegung des Kraftfahrzeugs so beeinflusst, dass ein Nickausgleich und/oder ein Wankausgleich und/oder eine Niveauregelung des Kraftfahrzeugs stattfindet.