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Die Erfindung bezieht sich auf einen Fahrwerk-Stabilisator in einem Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 198 21 209 A1 ist ein Rollstabilisator in einer Fahrzeugaufhängung bekannt, der U-förmig ausgebildet ist, wobei der zentrale Abschnitt über Begrenzerteile an einem Rahmen des Fahrzeugs gehalten ist und die seitlichen Abschnitte mit der Radaufhängung des Fahrzeugs verbunden sind. Die Begrenzerteile sind als hydraulisch betätigbare Klemmen ausgeführt, bei deren Betätigung der zentrale Abschnitt des Stabilisators teilweise festgeklemmt wird, wodurch die Torsionslänge reduziert und dadurch die Torsionssteifigkeit erhöht wird. Auf diese Weise lassen sich durch Betätigung der hydraulischen Begrenzer die Fahr- und Lenkeigenschaften des Fahrzeugs steuern.
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Nachteilig bei der Vorrichtung gemäß der
DE 198 21 209 A1 ist es, dass mit der Betätigung der Begrenzerteile eine schlagartige Änderung der Torsionssteifigkeit verbunden ist. Es können nur diskrete Torsionssteifigkeitssprünge zwischen verschiedenen, fest vorgegebenen Werten realisiert werden.
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Ein einstellbarer Stabilisator ist auch aus der
WO 2006/099848 A1 bekannt. Der Stabilisator ist zweigeteilt, wobei zwischen den beiden Stabilisatorteilen ein Aktuator angeordnet ist, welcher sich aus einer schaltbaren Kupplungseinheit und einer hydraulischen Dämpfungseinheit zusammensetzt. Im normalen Fahrbetrieb greifen die beiden Stabilisatorteile formschlüssig ineinander, so dass in Torsionsrichtung eine feste Kopplung gegeben ist. Bei Betätigung des Aktuators wird die Kupplungseinheit zwischen den Stabilisatorteilen ausgerückt, wodurch der formschlüssige Verbund aufgehoben wird. Zugleich wird die zwischen den Stabilisatorteilen liegende Dämpfungseinheit mit Hydraulikdruck beaufschlagt, wobei die Verdrehbewegung von der Höhe des Hydraulikdrucks abhängt, welcher die hydraulische Federrate bestimmt.
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Die Vorrichtung gemäß der
WO 2006/099848 A1 erfordert einen hohen Aufwand für die Hydraulik, insbesondere im Hinblick auf die Druckerzeugung und die Ausführung der Stellglieder, der Sensorik und des Steuergeräts. Die Vorrichtung weist zudem einen hohen Leistungsbedarf auf.
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Aus der
DE 10 2005 049 147 A1 ist ein aktiver Stabilisator für ein Fahrzeug mit zwei Stabilisatorteilen bekannt, die jeweils einen Grundträger umfassen, wobei die Grundträger parallel zueinander verlaufen und über ein Kopplungsmittel verbunden sind. Mithilfe eines Elektromotors kann die Position von zwei Kopplungselementen, die Bestandteil des Kopplungsmittels sind, entlang der Längsachse der parallel verlaufenden Grundträger der Stabilisatorteile verschoben werden.
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Die
JP 2006-199098 A zeigt einen Fahrwerkstabilisator mit zwei in Achsrichtung hintereinanderliegenden Stabilisatorteilen, die über ein Verbindungselement und einen federnden Hohlzylinder mit Federelement verbunden sind. Bei einer axialen Relativverstellung wird eine Entspannung bzw. Komprimierung des Federelementes erreicht.
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Ein in der
DE 10 2007 058 764 A1 dargestellter Fahrwerkstabilisator umfasst ein Rohrelement, das einen Grundkörper des Stabilisators umgreift und über zwei beabstandete Trommelbremsen mit dem Grundkörper verbunden ist. Im offenen Zustand der Trommelbremsen weist der Stabilisator eine geringere Torsionssteifigkeit auf als im geschlossenen Zustand der Trommelbremsen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen einen Fahrwerk-Stabilisator in einem Fahrzeug anzugeben, dessen Steifigkeit in einem weiten Einstellbereich mit geringem Energieaufwand verändert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der erfindungsgemäße Fahrwerkstabilisator in einem Fahrzeug ist mit zwei separaten Stabilisatorteilen versehen, welche miteinander gekoppelt sind, wobei zwischen den Stabilisatorteilen eine Einrichtung zur Änderung der Federsteifigkeit angeordnet ist. Die Einrichtung umfasst einen verstellbaren Aktuator, bei dessen Betätigung die Steifigkeit verändert wird.
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Erfindungsgemäß umfasst die Einrichtung zwischen den beiden Stabilisatorteilen zwei mit je einem Stabilisatorteil verbundene Koppelelemente, die in einer Wirkverbindung zueinander stehen, wobei zur Änderung der Federsteifigkeit die Relativposition der Koppelelemente über den Aktuator veränderbar ist. Mit der Änderung der Steifigkeit bzw. Stabilisatorfederrate geht eine Änderung der Fahrzeugcharakteristik einher, insbesondere im Hinblick auf das Wankverhalten, das Anlenkverhalten, die Steuertendenz und den Fahrkomfort auf verschiedenen Fahrbahntypen.
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Dieser Stabilisator zeichnet sich durch verschiedene Vorteile aus. Die Federsteifigkeit des Stabilisators wird allein durch die Relativposition der beiden in Kontakt miteinander stehenden Koppelelemente bestimmt, welche mit jeweils einem Stabilisatorteil verbunden sind. Die Relativposition der Koppelelemente zueinander ist insbesondere stufenlos änderbar, wobei innerhalb der Grenzen, die durch die maximal möglichen Relativpositionen zwischen den Koppelelementen vorgegeben sind, beliebige Einstellungen der Federsteifigkeit möglich sind. Die Federsteifigkeit wird insbesondere ausschließlich rein mechanisch durch die Geometrie und das Material der Koppelelemente sowie die Relativposition zwischen den Koppelelementen bestimmt, hydraulische Elemente sind nicht erforderlich. Die Änderung der Steifigkeit wird in einfacher Weise dadurch erzielt, dass die Relativposition verändert wird; darüber hinaus sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich, um eine Steifigkeitsänderung zu erreichen.
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Der Aktuator, über den die Relativposition der Koppelelemente zueinander verändert wird, erfordert nur eine geringe Energieaufnahme, da der Aktuator nur für die Änderung der Relativposition verändert werden muss, vorteilhafterweise jedoch nicht zum Halten der aktuell erreichten Relativposition. Die Steifigkeit hängt nicht von einer Betätigung des Aktuators ab, sondern nur die Steifigkeitsänderung. Die Änderung der Relativposition zwischen den Koppelelementen erfordert nur einen geringen Arbeitsaufwand.
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Die Änderung der Federsteifigkeit durch Betätigen des Aktuators kann entweder manuell vom Fahrer ausgelöst werden oder selbsttätig durch Stellsignale eines Regel- bzw. Steuergeräts im Fahrzeug, insbesondere als Reaktion auf die aktuellen Fahr- und/oder Umweltbedingungen, beispielsweise beim Befahren einer unebenen Straße oder bei Kurvendurchfahrt. Das Regel- bzw. Steuergerät zur Erzeugung von Stellsignalen für die Einstellung des Aktuators kann beispielsweise Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems wie z.B. ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) sein. Im Falle einer manuellen Einstellung der Federrate kommt beispielsweise eine Anpassung an verschiedene Fahrertypen in Betracht, deren Profil abgespeichert ist und manuell angewählt werden kann.
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Da vorzugsweise keine Beschränkung auf einzelne, diskrete Zustände der Federrate erfolgt, sondern vielmehr eine kontinuierliche, stufenlose Einstellung der Federrate möglich ist, kann mit minimalem Aufwand in präziser Weise auf die aktuellen Umwelt- und Fahrbedingungen reagiert und der Stabilisator entsprechend eingestellt werden.
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Über die Koppelelemente ist zweckmäßigerweise ein Torsionsmoment um die Stabilisator-Längsachse zu übertragen. Bei einer U-förmigen Ausführung des Stabilisators befinden sich die Koppelemente zweckmäßigerweise in einem mittleren Abschnitt des Stabilisators. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine Anordnung im Bereich der stirnseitigen, der Radaufhängung zugewandten Abschnitte, die sich winklig zum mittleren Abschnitt erstrecken. Zusätzlich oder alternativ zur Torsionssteifigkeit kann ggf. auch die Biegesteifigkeit zwischen benachbarten Stabilisatorteilen verändert werden, wobei in diesem Fall über die Koppelelemente die Biegesteifigkeit einzustellen ist. Diese Ausführungsvariante kommt insbesondere bei einer Anordnung der Kopplungselemente in den der Radaufhängung benachbarten Abschnitten des Stabilisators in Betracht.
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Gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung ist nur eines der Koppelelemente verstellbar an dem ihm zugeordneten Stabilisatorteil gehalten und kann von dem Aktuator verstellt werden, wohingegen das zweite Koppelement fest und ohne Relativbewegungsmöglichkeit mit dem zugeordneten Stabilisatorteil verbunden ist. Grundsätzlich möglich ist es aber auch, beide Koppelelemente verstellbar am jeweiligen Stabilisatorteil anzuordnen. Die Verstellung erfolgt entweder über einen gemeinsamen Aktuator oder über jeweils einen Aktuator.
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Die Änderung der Relativposition ist vorzugsweise als eine translatorische Verschiebebewegung ausgeführt, wobei grundsätzlich auch rotatorische oder gemischt translatorisch-rotatorische Relativbewegungen in Betracht kommen. Eine translatorische Relativbewegung, die vorzugsweise in Radialrichtung erfolgt, wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, dass ein Koppelelement an einem Schlitten angeordnet ist, der an einem mit einem Stabilisatorteil verbundenen Führungselement verschiebbar gehalten ist, wobei der Schlitten von dem Aktuator zu verstellen ist.
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Die Steifigkeitsänderung, insbesondere die Änderung der Torsionssteifigkeit, wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass zumindest ein Koppelelement in Radialrichtung zu verstellen ist, vorzugsweise als translatorische Verschiebebewegung, wobei grundsätzlich auch eine Drehbewegung in Radialrichtung in Betracht kommt.
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Eines der Koppelelemente ist als ein Federelement ausgebildet und das zweite Koppelelement als ein Kontaktstift, welcher an dem Federelement anliegt, wobei die Relativposition zwischen Federelement und Kontaktstift die Federrate bestimmt. Insbesondere bei einer Verstellbewegung in Radialrichtung und einer Torsionsbewegung zwischen den beiden Stabilisatorteilen um die Stabilisatorlängsachse bestimmt der radiale Abstand zwischen dem Angriffspunkt des Kontaktstiftes an dem Federelement und der Stabilisatorlängsachse das übertragbare Moment. Mit größerem radialem Abstand ist zum Erreichen eines bestimmten Torsionsmoments eine geringere Querkraft erforderlich, wobei die biegebeanspruchte Länge, welche mit dem radialen Abstand identisch ist, zunimmt. Die Elastizität des Federelementes hängt insbesondere vom radialen Abstand des Kontaktstiftes von der Stabilisatorlängsachse ab.
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Das Federelement ist gemäß einer vorteilhaften Ausführung als eine U-förmige Federklammer ausgeführt, wobei der Kontaktstift von beiden Seitenschenkeln der Federklammer eingerahmt und entlang des Innenraums der Federklammer zu verstellen ist, um die Federsteifigkeit zu beeinflussen.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das Federelement wellenförmig ausgebildet, wobei der Kontaktstift in einem U-förmigen Wellenabschnitt des Federelementes angeordnet ist und von den seitlichen Wandungen des Wellenabschnitts begrenzt wird.
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Der Aktuator ist vorzugsweise elektrisch betätigbar ausgeführt, insbesondere als Elektromotor, wobei auch elektromagnetische Aktuatoren in Betracht kommen. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine Verwendung von auf andere Weise betätigbaren Aktuatoren, beispielsweise hydraulische Aktuatoren, die zur Erzielung der Relativbewegung zwischen den Koppelelementen eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines zweiteiligen Fahrwerk-Stabilisators mit einer zwischenliegenden Einrichtung zur Änderung der Federsteifigkeit,
- 2 einen Schnitt durch die Einrichtung mit einer Darstellung des ersten Stabilisatorteils und mit zwei Koppelelementen, die als U-förmiges Federelement sowie als Kontaktstift ausgeführt sind,
- 3 der Stabilisator gemäß 2, jedoch in einer Ansicht in Gegenrichtung mit dem zweiten Stabilisatorteil und einer Darstellung des Aktuators zur radialen Verstellung des Kontaktstiftes,
- 4 eine 2 entsprechende Ansicht, jedoch mit einem Federelement in einer alternativen Ausführung in Wellenform.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in schematischer Darstellung ein Stabilisator 1 in einem Fahrzeug dargestellt, der einerseits mit einem Rahmenteil und andererseits mit den Radaufhängungen von Rädern 2 verbunden ist, welche an einer Achse 3 gelagert sind. Der Stabilisator 1 ist U-förmig aufgebaut und besteht aus zwei spiegelbildlich zueinander aufgebauten Stabilisatorteilen 4 und 5, die über eine Einrichtung 6 gekoppelt sind, wobei über die Einrichtung 6 ein Torsionsmoment zwischen den beiden Stabilisatorteilen 4 und 5 übertragbar sind. Die Einrichtung 6 erlaubt eine Anpassung der Torsionssteifigkeit des Stabilisators 1 und umfasst zu diesem Zweck zum einen Koppelelemente, die jeweils mit einem Stabilisatorteil 4, 5 verbunden sind, und zum andern einen Aktuator in Form eines Elektromotors, bei dessen Betätigung die Torsionssteifigkeit durch Positionsverlagerung eines Koppelelementes geändert wird.
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In den 2 und 3 ist die Einrichtung 6 zur Verbindung der beiden Stabilisatorteile 4 und 5 dargestellt. Die Einrichtung 6 umfasst das Koppelelement 7, welches fest mit der Stirnseite des ersten Stabilisatorteils 4 verbunden ist, sowie das weitere Koppelelement 8, das mit der Stirnseite des zweiten Stabilisatorteils 5 verbunden ist, jedoch in Bezug auf die Stabilisatorlängsachse radial verschieblich am Stabilisatorteil 5 gehalten ist. Das erste Koppelelement 7 ist als U-förmige Federklammer ausgeführt, das zweite Koppelelement 8 als Kontaktstift, der innerhalb der U-Form der Federklammer 7 radial verschieblich gelagert ist. Über das Zusammenwirken der beiden Koppelelemente 7 und 8 kann zwischen den Stabilisatorteilen 4 und 5 ein Torsionsmoment übertragen werden, wobei die Torsionssteifigkeit von der radialen Position des Kontaktstiftes 8 abhängt. Der radiale Abstand des Kontaktstiftes 8 von der Stabilisatorlängsachse ist mit r bezeichnet, wobei mit zunehmendem radialen Abstand von der Stabilisatorlängsachse die Torsionssteifigkeit abnimmt. Die U-förmige Federklammer 7 ist so positioniert, dass der Boden der Federklammer im Bereich der Stabilisatorlängsachse liegt, wobei die freien Enden der beiden Federschenkel radial nach außen weisen und den größten Abstand zur Stabilisatorlängsachse aufweisen. Mit zunehmendem radialem Abstand r besitzen die Federschenkel der Federklammer 7 eine größere elastische Nachgiebigkeit in Querrichtung, so dass entsprechend die Torsionssteifigkeit mit zunehmendem radialem Abstand r abnimmt.
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Befindet sich der Kontaktstift 8, wie mit strichlierter Linie dargestellt, unmittelbar auf der Stabilisatorlängsachse (r = 0), so dass die Achse des Kontaktstiftes mit der Stabilisatorlängsachse zusammenfällt, so sind die beiden Stabilisatorteile 4 und 5 in Torsionsrichtung voneinander entkoppelt, der Stabilisator ist geöffnet.
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In 3 ist die Vorrichtung zur radialen Verstellung des Kontaktstiftes 8 dargestellt. Die Verstellbewegung wird mithilfe eines als Elektromotor 9 ausgeführten Aktuators durchgeführt, der zweckmäßigerweise im Bereich der Stirnseite des zweiten Stabilisatorteils 5 angeordnet ist. Die Drehbewegung des Elektromotors 9 wird über ein Ritzel 10 auf eine Zahnstange 11 übertragen, die mit einem Schlitten 12 gekoppelt ist, welcher Träger des Kontaktstiftes 8 ist. Die Zahnstange 11 und der Schlitten 12 einschließlich des Kontaktstiftes 8 führen eine translatorische Verschiebebewegung in Radialrichtung aus. Der Schlitten 12 ist hierbei von seitlichen Führungsschienen 13 und 14, welche fest mit dem zweiten Stabilisatorteil 5 verbunden sind, geführt.
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Die Vorrichtung weist eine Selbsthemmung auf, so dass bei nicht betätigtem Elektromotor 9 die Position des Kontaktstiftes 8 unveränderlich festgelegt ist. Die Selbsthemmung wird insbesondere über das Anpassungsgetriebe erreicht, das zur Übertragung der Antriebsbewegung des Elektromotors 9 auf den Schlitten 12 bzw. den Kontaktstift 8 vorgesehen ist und im Ausführungsbeispiel das Ritzel 10 sowie die Zahnspange 11 umfasst. Auf Grund der Selbsthemmung bleibt auch bei einem Ausfall des Elektromotors 9, beispielsweise auf Grund eines Ausfalls des Bordnetzes im Fahrzeug die aktuelle Position des Kontaktstiftes 8 unverändert erhalten, so dass eine Torsionsmomentübertragung zwischen den Stabilisatorteilen mit der der aktuellen radialen Position des Kontaktstiftes entsprechenden Federsteifigkeit möglich ist. Die radiale Position des Kontaktstiftes 8 muss nur zur Änderung der Torsionssteifigkeit verändert werden. Die Torsionssteifigkeit ändert sich näherungsweise linear mit dem Abstand r.
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Die mit zunehmendem Abstand zur Längsachse geringer werdende Torsionssteifigkeit kommt auch durch die Geometrie der Koppelelemente, insbesondere der Federklammer 7, zustande, deren Federschenkel eine mit zunehmendem radialem Abstand kleiner werdende Wandstärke aufweisen, was die Biegefähigkeit mit zunehmendem Abstand erhöht.
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In 4 ist eine weitere Ausführung eines fest mit einem Stabilisatorteil 4 verbundenen Koppelelementes 7 dargestellt, welches ebenfalls als Federelement ausgeführt ist, jedoch im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel als wellenförmiges Federelement. Der Kontaktstift 8, der radial verschieblich angeordnet ist und mittels eines Aktuators verstellt wird, befindet sich in einem Zwischenraum, der von benachbarten Wandungen eines Wellenabschnitts des wellenförmigen Federelementes 7 begrenzt ist. Der Zwischenraum erstreckt sich in Radialrichtung, so dass eine radiale Verlagerung des Kontaktstiftes 8 im Zwischenraum bei Betätigung über den Aktuator möglich ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel nimmt die Torsionssteifigkeit des Stabilisators mit zunehmendem radialen Abstand des Kontaktstiftes 8 zur Stabilisatorlängsachse ab. Eine Entkopplung der Stabilisatorteile wird erreicht, wenn der Kontaktstift 8 koaxial zur Stabilisatorlängsachse angeordnet ist.
