-
Die
Erfindung betrifft ein aktives elektromechanisches Federungssystem
für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges mit einer ersten
und einer zweiten Achse für jeweils zwei sich gegenüberliegende
Räder gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruches
1.
-
Heutzutage
sind aktive elektromechanische Federungssysteme, je nach Fahrzeugtyp,
nach unterschiedlichen Prinzipien aufgebaut. Ziel dieser Systeme
ist die weitere Verbesserung im Bereich Fahrdynamik und Komfort.
Dabei haben sich innerhalb der Federungs- und Dämpfungssysteme
eine Vielzahl von verschiedenen Systemen bereits etabliert, die
sich bezüglich der physikalischen Wirkungsweise, nämlich
pneumatisch, hydraulisch, elektrisch, der Mechatronisierung bestehender
Komponenten, nämlich passiver hydraulischer Dämpfer
oder aber geregelter hydraulischer Dämpfer oder auch beispielsweise
der wirksamen Stellfrequenzänderungen, unterteilen lassen.
-
So
ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 032 081 A1 ein verstellbares Fahrwerk
mit einem, an einem Fahrzeug aufbau schwenkbar gelagerten ersten
Achslenker für ein erstes Rad einer Achse und einen zweiten
schwenkbar belagerten Achslenker für ein zweites Rad der
Achse, wobei der erste und der zweite Achslenker jeweils eine Hauptfeder
für den Fahrzeugaufbau tragen und eine Hilfsfeder aufweisen,
die von einem Antriebsaggregat in ihrer Vorspannung einstellbar
ist, bekannt geworden. Dabei wird die Hilfsfeder pro Achslenker
jeweils von einem Torsionsstab gebildet, der an dem Achslenker angreift
und zwei Elektromotoren als Antriebsaggregate die Torsion der Stäbe
vorspannen.
-
Bei
diesem Prinzip wird eine Parallelschaltung von Federn vorgenommen,
wobei das statische Aufbaugewicht des Fahrzeuges an den Rädern
jeweils von einer Feder getragen wird. Zusatzkräfte werden
durch die Antriebsaggregate über die zweite Feder übertragen.
Bei einer derartigen Ausführung sind für eine
aktive Federung die Antriebsaggregate an allen beiden Achsen gleich.
-
Ein
weiteres aktives Fahrwerk für ein Kraftfahrzeug kann der
DE 10 2007 024 769
A1 entnommen werden. Dabei sind hier auch an einer ersten und
einer zweiten Rad aufhängungseinrichtung für jeweils
zwei sich gegenüberliegende Räder mit Drehfedereigenschaften
Elemente vorhanden, die mit einer Karosserie des Kraftfahrzeuges
verbunden sind, wobei an jedem Element mit Drehfedereigenschaften mindestens
eine Stelleinrichtung zur Niveauveränderung des Kraftfahrzeuges
angreift.
-
Ferner
sind dem Stand der Technik Ausführungen mit Schraubenfedern
als Federbeine, so genannte Federbeinaktuatoren bekannt. Dabei wird
der Fahrzeugaufbau über eine Reihenschaltung von zwei Federn
getragen. Parallel zu der oberen Feder ist ein Aktuator, oder auch
allgemein Antrieb genannt, vorhanden, der aus einem Motor und einem
Getriebe besteht. Bei einer Aktivierung des Aktuators wird durch
die Drehbewegung des Motors eine Federfußpunktverstellung
an der unteren Feder erreicht. Diese Federfußpunktverstellung
wirkt sich als Kraftstellung durch das Federbein aus. Es hat sich
gezeigt, dass die Dynamik der Stelleingriffe begrenzt ist, so dass
eine Schwingungsbeeinflussung der Aufbaubewegung nur im niederfrequenten
Bereich erfolgen kann. Aus diesem Grunde ist zur Bedämpfung
der höherfrequenten Schwingungen ein hydraulischer Dämpfer
mit einer konstanten Kennung parallel zu den in Reihe geschalteten
Federn vorhanden. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise der
DE 10 2004 014 336
B3 und
EP
1 681 187 A2 zu entnehmen.
-
Aus
dem Stand der Technik sind lediglich aktive Federungssysteme bekannt,
deren Aktuatorbauformen an beiden Achsen gleich sind. Die Gleichheit der
Aktuatoren (bis auf Abstimmteile, wie z. B. Federn) an allen vier
Fahrzeugecken hat den Vorteil, dass durch höhere Stückzahlen
Kostenvorteile erzielt werden können. Demgegenüber
stehen auch Nachteile, die im Folgenden dargestellt werden:
In
der Regel sind die verwendeten Achstypen in Fahrzeugen an Vorder-
und Hinterachse nicht gleich. Während an der Vorderachse
in Pkw mehrheitlich Federbeine bzw. Mehrlenkerachsen mit Federbeinen wie
z. B. Mac Pherson, Doppelquerlenker, Vierlenkerachsen, zum Einsatz
kommen, finden an der Hinterachse diverse Achskonstruktionen Anwendung.
Neben Mehrlenkerachsen mit Federbeinen, insbesondere in Oberklassen-Limousinen,
werden aus Bauraumgründen oftmals Mehrlenkerachsen oder
Verbundlenkerachsen mit einer getrennten Feder-/Dämpferanordnung
verwendet. Diese bieten den Vorteil, dass die sog. Durchladebreite
im Kofferraum nicht durch um den Dämpfer angeordnete Feder
eines Federbeins reduziert wird. Die Gleichheit der Aktuatorbauformen
einer aktiven Federung in einem Fahrzeug hätte zru Folge,
dass mit hoher Wahrscheinlichkeit sehr ähnliche bzw. gleiche
Achstypen in diesem Fahrzeug verbaut sein müssten, z. B. Mehrlenkerachsen
mit Federbeinen vorne und hinten. Nachdem dies bei vielen Fahrzeugherstellern nur
im Oberklassensegment der Fall ist, führt dies zu einer
eingeschränkten potenziellen Einsetzbarkeit aktiver Federungssysteme
im Fahrzeugangebot des Herstellers. Alternativ könnten
die Achsen speziell für den Einsatz der aktiven Federung
angepasst werden. Neben der Erhöhung der Variantenvielfalt
hätte dies aber auch eine Steigerung der fahrzeugseitigen Implementierungskosten
zur Folge, wodurch die technisch-wirtschaftliche Systemumsetzung
mehr als fraglich ist.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein aktives elektromechanisches
Federungssystem zu schaffen, bei dem durch permanente, zielgerichtete Änderungen
der Federungskräfte an jeder Karosserieecke eine weitere
Verbesserung des Fahrverhaltens erreicht wird. Gleichzeitig soll
eine Kostenreduzierung für derartige Federungssysteme für
ein Fahrzeug erreicht werden.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst. Die Unteransprüche geben ei ne weitere
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens
wieder.
-
Die
Erfindung fokussiert sich hierbei auf eine zielgerichtete Kombination
verschiedener aktiver Stellelemente (Aktuatoren, Antriebe) und deren
Ausführung zur optimalen Erreichung einer aktiven Federung.
Ein derartiges aktives Federungssystem arbeitet über die
Aktuatorik elektromotorisch nach dem Prinzip der Federfußpunktverstellung
einer Stahlfeder. Es ist bei derartigen Systemen aufgrund der geringen
Kraftleistungsdichte beispielsweise gegenüber hydraulischen
Systemen sinnvoll, eine technische Ausführung nach dem
teiltragenden Prinzip zu realisieren. Eine derartige Ausführung
bedeutet, dass die Aktuatorik lediglich Zusatzkräfte zwischen jedem
Radträger und der Karosserie erzeugt. Die gesamte statische
Aufbaumasse wird dabei von mindestens einer zweiten oder mehreren
Federn aufgenommen.
-
Ferner
wird durch die Erfindung die Verwendung von gleichen Aktuatoren
an jedem Achsende sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterachse des
Kraftfahrzeuges eine aktive Federung ausgeführt. Durch
derartige Ausgestaltungen kann eine ernorme Kostenreduzierung erzielt
werden.
-
Es
ist deshalb Ziel der Erfindung, ein aktives, teiltragendes, elektromechanisches
Federungssystem für Kraftfahrzeuge zu schaffen, bei dem
an einer ersten Achse jeweils zwei aktive Federbeine als Federbeinaktuatoren
und an der zweiten Achse zwei aktive Rotationsaktuatoren zum Einsatz
kommen. Vorzugsweise werden dabei die aktiven Federbeinaktuatoren
an der Vorderach se platziert, wobei die Rotationsaktuatoren an der
Hinterachse verbaut werden. Durch eine derartige Vorgehensweise
wird ein nur geringer Eingriff in die Ausführung von Serienachsen
bei Kraftfahrzeugen vorgenommen.
-
Zur
Kostenreduzierung führt dabei insbesondere, dass die Antriebe
für sowohl der aktiven Federbeinaktuatoren als auch der
Rotationsaktuatoren hinsichtlich des Bauraumes und der Leistungsdaten identisch
sind. Der besondere Vorteil liegt darin, dass neben der Kostenreduzierung
auch eine gleichartige Ansteuerung über die Bordelektronik
möglich ist.
-
Für
die Federbeine wird vorgeschlagen, dass als Getriebe ein Übersetzungsgetriebe,
vorzugsweise ein Kugelgewindegetriebe, verwendet wird. Derartige
Kugelgewindegetriebe sind geeignete Getriebe, um eine Rotationsbewegung
in eine translatorische Bewegung an einem Federbein auszuführen.
-
Vorzugsweise
wird bei den Rotationsaktuatoren ein Untersetzungsgetriebe eingesetzt.
Ein derartiges Untersetzungsgetriebe kann beispielsweise ein Harmonic-Drive-Getriebe
verwendet werden. Ein derartiges Getriebe hat eine sehr hohe Untersetzung und
baut sehr Platz sparend auf.
-
Als
sehr effektiv hat es sich erwiesen, dass die Rotationsaktuatoren
an einem Achsträger oder einem Hilfsrahmen oder dergleichen
befestigt werden, wobei der Achsträger oder der Hilfsrahmen
oder dergleichen elastisch am Fahrzeugaufbau festgelegt werden.
Eine derartige Anbindung oder Festlegung wird über Elastomerlager ausgeführt.
Ein derartiges Elastomerlager hat eine progressive Kennlinie, die
in Fahrzeughochrichtung ausgerichtet ist. Derartige Elastomerlager
sind zur Aufnahme von Druckkräften, wie sie beispielsweise
bei einer Beladung entstehen, sehr hilfreich. Im Gegensatz zu einer
Achse ohne aktive Federung, d. h. die Einleitung der Federkraft
wird direkt in die Karosserie oder über die Dämpferlager
in die Karosserie weitergegeben, wird die Beladungskraft bei Rotationsaktuatoren
an der Hinterachse über den Hilfsrahmen oder dergleichen
in den Fahrzeugaufbau eingeleitet. Dieses führt zu einer Änderung
der Lastpfade. Es wird deshalb zur Begrenzung des Lagerweges bei
der Beladung und gleichzeitig auch ohne eine Beladung eine ausreichende
Entkopplung zwischen dem Hilfsrahmen oder dergleichen und der Karosserie
zu gewährleisten sein, die Lagerkennlinie in Fahrzeughochrichtung
ist asymmetrisch mit einer Progression in Druckrichtung gestaltet.
-
Durch
die vorliegende Erfindung wird an der Vorderachse eine gleiche oder
direkte Kraftübertragung (größeres Kraftübersetzungsverhältnis)
ausgeführt, als an der Hinterachse. Dieses bedeutet, dass pro
Motorumdrehung. des Antriebs die Kraftänderung auf der
Radbasis bei unveränderter Einfederposition des Rades gegenüber
dem Aufbau an der Vorderachse gleich oder größer
als bei gleichem Vorgehen an der Hinterachse ist. Daraus leitet
sich ab, dass das Kraftübersetzungsverhältnis
an der Vorderachse des Kraftfahrzeuges größer
oder gleich dem Kraftübersetzungsverhältnis an
der Hinterachse des Kraftfahrzeuges ist. Vorzugsweise sind die Federbeine
und die Federanordnung jeweils mit hydraulischen Dämpfern
ausgestattet.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Darstellungen näher
erläutert.
-
Es
zeigt:
-
1:
Eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugaufbaues mit Federbeinaktuatoren
und Rotationsaktuatoren;
-
2:
eine bevorzugte Ausführungsform eines Federbeinaktuators
in einer schematischen Darstellung;
-
3:
eine bevorzugte Ausführungsform eines Rotationsaktuators
in einer schematischen Darstellung.
-
In 1 ist
eine Karosserie bzw. ein Teil einer Karosserie 1 schematisch
dargestellt. Die Karosserie 1 ist dabei auf der linken
Seite mit Federbeinen 17 und auf der rechten Seite mit
Federanordnungen 18 verbunden. Die zugehörigen
Achsen und Räder sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt. Es sei jedoch angemerkt, dass auf einer Achse stets
nur Federbeine 17 oder Federanordnungen 18 mit
den entsprechenden Rädern jeweils verwendet werden.
-
Der
prinzipielle Aufbau eines Federbeines 17 für eine
erste Achse besteht beispielsweise darin, dass eine erste Feder 6 mit
einer zweiten Feder 7 als Reihenschaltung miteinander verbunden
sind, wobei das freie Ende der ersten Feder 6 mittelbar
oder unmittelbar mit der Karosserie 1 und das freie Ende
der zweiten Feder 7 mit einem Achslenker 12 oder
Radträger verbunden wird. Parallel zu der ersten Feder 6 und
der zweiten Feder 7 ist eine hydraulische Dämpfungseinrichtung 5 vorhanden.
Unterhalb der Feder 6 und der Feder 7 sowie des
Dämpfers 5 ist noch schematisch mit dem Bezugszeigen 8 die
Radfederung angegeben worden. Parallel zu der ersten Feder 6 ist ein
Antrieb 4 als Aktuator dargestellt, auf dennoch nachfolgend
Bezug genommen wird.
-
Auf
der zweiten Achse des Kraftfahrzeuges sind jeweils an den dort befindlichen
Achslenkern 12 Federanordnungen 18 angeordnet.
Eine derartige Federanordnung 18 besteht im Wesentlichen
aus einem Rotationsaktuator, der einen gleichen Antrieb 4 wie
das Federbein 17 aufweist. Somit sind für jedes Rad 9 des
Kraftfahrzeuges die gleichen Antriebe 4 verwendet worden.
In Reihe mit dem Antrieb 4 ist eine Feder 19 vorhanden,
die durch den Antrieb 4 in ihrer wirkenden Kraft verändert
wird. Parallel zu der Anordnung des Antriebes 4 und der
Feder 19 ist auch hier ein hydraulischer Dämpfer 5 vorhanden,
zudem ebenfalls parallel eine Feder 20 angeordnet ist.
Die Feder 20 hat hier die Aufgabe, das Hauptgewicht der Karosserie
zu tragen.
-
In
der 2 wird in einer schematischen Darstellung ein
Federbein 17 wiedergeben. Der Antrieb 4 besteht
dabei im Wesentlichen aus einem Motor 10 mit einem Getriebe 11.
Ein derartiges Getriebe ist vorzugsweise als Kugelgewindetrieb ausgebildet. Der Übersicht
halber ist hier in dieser schematischen Darstellung die Last aufnehmende
erste Feder 6 nicht dargestellt worden. Das Getriebe 11 wirkt
mit der zweiten Feder 7 so zusammen, dass vorzugsweise
durch den Aktuator in Form des Antriebes 4 eine elektromechanische
Verstellung der zweiten Feder 7 vorgenommen wird und zwar
vorzugsweise nach dem Prinzip der Federfußpunktverstellung.
Es versteht sich, dass die zweite Feder 7 als Stahlfeder ausgebildet
ist, vorzugsweise als Schraubenfeder. Während der Motor 10 mit
der Karosserie 1 oder dergleichen verbunden ist, ist die
zweite Feder 7 mit ihrem freien Ende an einem Achslenker 12 angelenkt. Der
Achslenker 12 ist ebenfalls über eine Verbindung 13 mit
der Karosserie 1 verbunden. Von dem Befestigungspunkt der
Verbindung 13 bis zu dem Befestigungspunkt, an dem die
zweite Feder 7 mit dem Achslenker 12 verbunden
ist, ergibt sich eine Strecke 11. Ebenfalls gerechnet von
der Verbindung 13 aus liegt ein Rad 9 (in der 2 auf
der linken Seite neben dem Ende des Achslenkers 12), das
eine Strecke 12 entfernt ist. Das Rad 9 wird durch
die Radfederung 8 in der 1 repräsentiert.
Durch diese Darstellung wird deutlich, dass das Kraftübersetzungsverhältnis
an der Achse gleich der Strecke 11 durch die Strecke 12 errechnet
werden kann.
-
Bei
der Ausführung des Rotationsaktuators 3 als Federanordnung 18 gemäß der 3 wird
ebenfalls der gleiche Antrieb 4 verwendet, der über
eine Verbindung 14 an der Karosserie 1 befestigt
ist. Auch hier besteht der Antrieb 4 aus dem Motor 10 mit
dem Getriebe 11. Das Getriebe 11 ist in diesem
Falle ein Untersetzungsgetriebe und wird vorzugsweise als Harmonic-Drive-Getriebe
ausgebildet. Im Anschluss an den Antrieb 4 erschließt
sich ein Torsionsstab 15 an, der als Drehfeder 19 ausgebildet
ist. An dem freien Ende des Torsionsstabes 15 ist ein Antriebshebel 16 einseitig
angebracht, dessen zwei tes freies Ende über eine Anbindung
mit dem Achslenker 12 verbunden ist. Der Achslenker 12 ist
im Übrigen genauso über die Verbindung 13 mit
der Karosserie 1 verbunden wie gemäß 2 schon
dargelegt worden ist. Auch sind hier für das Übersetzungsverhältnis
die gleichen Gesetzmäßigkeiten gegeben. Durch
die Betätigung des Antriebes 4 als Rotationsaktuator 3 wird der
Torsionsstab 15 verdreht, was eine Auslenkung des Antriebshebels 16 zur
Folge hat, die sich auf den Achslenker 12 auswirkt.
-
Sowohl
bei dem Ausführungsbeispiel der 2 mit einem
Federbeinaktuator und der 3 mit einem
Rotationsaktuator 3 wird deutlich, dass der Antrieb 4 lediglich
Zusatzkräfte zwischen den Radträgern und der Karosserie 1 oder
dergleichen erzeugt. Die gesamte statische Aufbaumasse wird von
der in der 1 dargestellten ersten Feder 6 bzw.
der Feder 20 getragen. Der Übersicht halber sind
diese Federelemente in den 2 und 3,
sowie auch der Dämpfer 5, nicht dargestellt worden.
-
Durch
die geniale Ausgestaltung der Erfindung wird deutlich, dass durch
die Verwendung an einer Achse von Federbeinaktuatoren 2 und
auf der anderen Achse von Rotationsaktuatoren 3 eine permanente,
zielgerichtete Änderung der Federkräfte an jeder
Karosserieecke erreicht wird. Gerade durch die Kombination der verschiedenen
aktiven Stellelemente wird eine äußerst aktive
Federung erreicht.
-
- 1
- Karosserie
- 2
- Federbeinaktuator
- 3
- Rotationsaktuator
- 4
- Antrieb
- 5
- hydraulischer
Dämpfer
- 6
- erste
Feder
- 7
- zweite
Feder
- 8
- Radfederung
- 9
- Rad
- 10
- Motor
- 11
- Getriebe
- 12
- Achslenker
- 13
- Verbindung
- 14
- Verbindung
- 15
- Torsionsstab
- 16
- Antriebshebel
- 17
- Federbein
- 18
- Federanordnung
- 19
- Feder
- 20
- Feder
- x
- positive
Fahrzeugfahrtrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004032081
A1 [0003]
- - DE 102007024769 A1 [0005]
- - DE 102004014336 B3 [0006]
- - EP 1681187 A2 [0006]