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Die Erfindung bezieht sich auf eine Radaufhängung für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie auf ein Verfahren zur Einstellung einer Radaufhängung.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 0 982 162 A2 ist ein Radmodul bekannt, welches innerhalb der Felge des Rades einen passiven Schwingungstilger umfasst, dessen Masse etwa gleich groß ist wie die Summe der ungefederten Massen. Über einen elektrisch betätigbaren Linearmotor ist das Radmodul mit dem Fahrzeugaufbau verbunden, wobei der Linearmotor beim Einfedern zur Energiegewinnung im Generatorbetrieb gefahren werden kann. Nachteilig bei dieser Ausführung ist der verhältnismäßig große konstruktive Aufwand sowie die bedingt durch den passiven Schwingungstilger hohe Masse.
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Darüber hinaus sind unter der Bezeichnung Active Body Control Radaufhängungen in Fahrzeugen bekannt, welche zwischen Rad und Fahrzeugaufbau ein parallel geschaltetes Federelement und ein Dämpfungselement umfassen, wobei ein Fußpunkt des Federelementes über einen aktiv einstellbaren Hydraulikzylinder verstellbar ist. Über Eingriffe mittels des Hydraulikzylinders können niederfrequente Aufbaubewegungen ausgeglichen werden. Das System erfordert jedoch einen relativ großen baulichen Aufwand und setzt eine umfangreiche Sensorik voraus.
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Die
DE 10 2004 056 610 A1 offenbart ein aktives Fahrwerksystem mit drei aktiven Elementen, die zueinander parallel geschaltet sind. Das erste Element ist als längenveränderlicher Aktuator einer Aufbaufedereinrichtung ausgeführt. Das zweite Element ist als Dämpfer mit kontinuierlich veränderlicher Charakteristik ausgeführt, die in Abhängigkeit des Betriebszustandes variiert werden kann. Das dritte Element ist als aktiv verdrehbarer Aktuator einer Stabilisatoreinrichtung ausgebildet.
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Die
US 2009/0121444 A1 zeigt aktive Radaufhängungen mit Aktuatoren, die entweder parallel oder in Reihe mit passiven Federelementen geschaltet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Radaufhängung für ein Fahrzeug so auszugestalten, dass in unterschiedlichen Fahrsituationen ein hoher Komfort und eine verbesserte Fahrsicherheit gegeben ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Radaufhängung für ein Fahrzeug bildet ein Federbein, über das Kräfte zwischen der Fahrzeugkarosserie bzw. dem Fahrzeugaufbau und einem mit dem Fahrzeugrad verbundenen Bauteil übertragbar sind, insbesondere einem Achslenker. Die Radaufhängung umfasst ein Feder-Dämpfer-System mit einer passiven Tragfeder und einem hierzu parallel geschalteten, passiven Dämpfungselement. Die Fußpunkte der Tragfeder und des Dämpfungselementes sind jeweils fest mit dem Fahrzeugrad bzw. mit dem Fahrzeugaufbau verbunden, eine Fußpunktverstellung ist weder auf der Radseite noch auf der Aufbauseite für die Tragfeder bzw. das Dämpfungselement vorgesehen. Es handelt sich somit bei dem Feder-Dämpfer-System, welches einen Teil der Radaufhängung bildet, um ein ausschließlich passives System ohne die Möglichkeit, über einen Aktuator Eingriff zu nehmen. Dies hat den Vorteil, dass konstruktiv einfach aufgebaute Feder-Dämpfer-Systeme, so wie diese aus dem Stand der Technik bekannt sind, eingesetzt werden können.
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Darüber hinaus umfasst die Radaufhängung ein Zusatzsystem, das einen Aktuator und ein Kraftübertragungselement umfasst, wobei das Kraftübertragungselement über den Aktuator verstellbar ist. Das Zusatzsystem ist parallel zum passiven Feder-Dämpfer-System angeordnet.
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Über den Aktuator des Zusatzsystems können Einstellungen in der Radaufhängung durchgeführt werden, die den stationären Zustand des Fahrzeugs und/oder das fahrdynamische Verhalten beeinflussen. Die Radaufhängung stellt eine Erweiterung dar, wobei das passive Feder-Dämpfer-System um das Zusatzsystem erweitert wird, welches den Aktuator beinhaltet. Dies hat den Vorteil, dass bestehende passive Feder-Dämpfer-Systeme eingesetzt werden können, die lediglich um das Zusatzsystem ergänzt werden. Aufgrund der Parallelschaltung von Feder-Dämpfer-System und Zusatzsystem ist auch bei einem Ausfall des Zusatzsystems eine Schwingungsdämpfung über das passive Feder-Dämpfer-System gewährleistet. Der Aktuator im Zusatzsystem kann hierbei so ausgeführt sein, dass der Aktuator im stromlosen Zustand keine Kräfte überträgt, so dass die Kräfte zwischen Fahrzeugaufbau und Rad ausschließlich über das passive Feder-Dämpfer-System übertragen werden. Möglich ist aber auch ein Festsetzen bzw. Arretieren des Aktuators im stromlosen Zustand, so dass auch über das Zusatzsystem Kräfte übertragen werden, auch wenn über den Aktuator keine Einstellmöglichkeit gegeben ist.
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Die Einstellung des Kraftübertragungselementes im Zusatzsystem über den Aktuator betrifft eine Kenngröße des Kraftübertragungselementes zur Beeinflussung der Kraftübertragung. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Fußpunktverstellung des Kraftübertragungselementes, wobei grundsätzlich auch eine sonstige Kenngröße des Kraftübertragungselementes verstellt werden kann, im Falle eines Federelementes beispielsweise die Federsteifigkeit oder im Falle eines Dämpfungselementes die Dämpfungsrate.
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Das Kraftübertragungselement des Zusatzsystems ist vorzugsweise als passives Bauteil ausgeführt, das jedoch über den Aktuator verstellbar ist. In Betracht kommt beispielsweise eine Ausführung des Kraftübertragungselementes als Federelement oder als Dämpferelement.
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Um ein möglichst breites Spektrum an Einstellmöglichkeiten zu gewährleisten, ist das Zusatzsystem zwischen einem Kraftübertragungsmodus und einem kräftefreien Modus zu verstellen, wobei der kräftefreie Modus entweder über eine entsprechende Einstellung des Aktuators erreicht wird oder über eine schaltbare Haltekupplung, die im Zusatzsystem angeordnet und zwischen einem eingekuppelten und einem ausgekuppelten Zustand verstellbar ist. Der eingekuppelte Zustand entspricht dem Kraftübertragungsmodus des Zusatzsystems und der ausgekuppelte Zustand dem kräftefreien Modus. Die Haltekupplung ist im Kräfteweg zwischen den Endpunkten des Zusatzsystems angeordnet, vorzugsweise im Falle einer Reihenschaltung zwischen dem Aktuator und dem Kraftübertragungselement.
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Es kann zweckmäßig sein, zwischen dem Aktuator und dem Kraftübertragungselement eine Getriebevorrichtung vorzusehen, die zur Umsetzung der Aktuatorbewegung auf das Kraftübertragungselement dient. Über die Getriebevorrichtung sind Bewegungsumsetzungen möglich, beispielsweise die Umsetzung der rotatorischen Antriebsbewegung eines als Elektromotor ausgeführten Aktuators in eine translatorische Verschiebebewegung, über die der Fußpunkt des Kraftübertragungselementes verstellt wird. Möglich sind über die Getriebevorrichtung auch Antriebsübersetzungen bzw. -untersetzungen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung umfasst das Bauteil am Fahrzeugrad, an welchem die Radaufhängung angreift, zwei Querlenker, wobei an einem der Querlenker das Feder-Dämpfer-System und am zweiten Querlenker das Zusatzsystem angreift. Die Querlenker sind fest miteinander verbunden. Die Ausführung mit zwei Querlenkem hat den Vorteil, dass das passive Feder-Dämpfer-System zwischen einem der Querlenker und dem Fahrzeugaufbau ein eigenständiges Modul innerhalb der Radaufhängung bildet, ebenso das Zusatzsystem zwischen dem zweiten Querlenker und dem Fahrzeugaufbau. Über die Unabhängigkeit der Module wird eine höhere Flexibilität beim Einbau in das Fahrzeug sowie bei der Ansteuerung des Aktuators im Zusatzsystem erreicht.
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Im Hinblick auf die Betätigung des Aktuators in verschiedenen Fahrsituationen kommen verschiedene Betriebsweisen in Betracht. Zum einen wird, wie oben erwähnt, das Zusatzmodul in einen kräftefreien Modus geschaltet, so dass über das Zusatzmodul keine Kräfte übertragen werden, sondern ausschließlich über das Feder-Dämpfer-System. Das Feder-Dämpfer-System kann mit einer verhältnismäßig weichen Federrate versehen sein, so dass beim kräftefrei geschalteten Zusatzmodul die Federung ausschließlich über das passive Feder-Dämpfer-System erfolgt und aufgrund der weichen Federrate eine Komfortverbesserung mit verringerten Aufbaubeschleunigungen und Radlastschwankungen im Bereich der Aufbaueigenfrequenz erzielt wird.
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Befindet sich das Zusatzsystem im Kraftübertragungsmodus, ohne dass der Aktuator betätigt wird, wirkt die Radaufhängung insgesamt ebenfalls als passives System, jedoch mit einer im Vergleich zum kräftefreien Modus des Zusatzsystems erhöhten Federsteifigkeit. Dieser Modus kann als Normal- oder Sportmodus bezeichnet werden.
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Bei einer Betätigung des Aktuators wird eine bestimmende Kenngröße des Kraftübertragungselementes im Zusatzsystem geändert. Beispielsweise wird der Fußpunkt des Kraftübertragungselementes verstellt, insbesondere eines Federelementes im Zusatzsystem, wodurch entweder bei einmaliger Verstellung eine Niveauregulierung mit einer Absenkung bzw. Anhebung des Fahrzeugaufbaus erreicht wird oder, bei einer fortlaufenden Verstellung im Fahrbetrieb, ein teilaktives bzw. aktives Fahrwerk realisiert wird. Befinden sich im Fahrzeug mehrere Radaufhängungen mit jeweils einem parallel zum passiven Feder-Dämpfer-System geschalteten Zusatzsystem mit Aktuator, so können in verschiedenen Fahrsituationen auch die Aktuatoren in unterschiedlicher Weise betätigt werden, beispielsweise können bei Kurvenfahrt die Radaufhängungen im linken und rechten Bereich einer gemeinsamen Fahrzeugachse zur Wankstabilisierung in unterschiedlicher Weise eingestellt werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der in schematischer Weise ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs mit je einer Radaufhängung für das linke und rechte Fahrzeugrad einer Achse dargestellt ist.
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Das schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 1 weist eine Fahrzeugkarosserie bzw. einen Fahrzeugaufbau 2 auf, der über Radaufhängungen 4 mit Fahrzeugrädem 3 gekoppelt ist. In der Figur sind zwei Fahrzeugräder im linken und rechten Seitenbereich einer gemeinsamen Fahrzeugachse dargestellt. Jedem Fahrzeugrad ist eine gleichartig aufgebaute Radaufhängung zur Anbindung an den Fahrzeugaufbau 2 zugeordnet.
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Die Radaufhängung 4 umfasst zwei zu je einem Modul zusammengefasste Systeme 5 und 6, wobei das Feder-Dämpfer-System 5 als passives System und das Zusatzsystem 6 als aktives System ausgeführt ist. Die Radaufhängung 4 mit den Systemen 5 und 6 ist radseitig an einem Radlenker 7 angekoppelt, der zwei zueinander parallele Querlenker 8 und 9 umfasst, wobei das Feder-Dämpfer-System 5 zwischen dem Querlenker 8 und einem Abschnitt 2a des Fahrzeugaufbaus und das Zusatzsystem 6 zwischen dem zweiten Querlenker 9 und einem weiteren Abschnitt 2b des Fahrzeugaufbaus 2 angeordnet ist. Das Feder-Dämpfer-System 5 und das Zusatzsystem 6 der Radaufhängung 4 liegen parallel zueinander, was den Vorteil hat, dass bei einem Ausfall des Zusatzsystems 6 die Kräfte zwischen Rad 3 und Fahrzeugaufbau 2 über das passive Feder-Dämpfer-System 5 ohne grundsätzliche Funktionalitätseinschränkung übertragen werden können.
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Das passive Feder-Dämpfer-System 5 umfasst eine Tragfeder 10 und ein zur Tragfeder 10 parallel angeordnetes Dämpfungselement 11. Die Fußpunkte sowohl der Tragfeder 10 als auch des Dämpfungselementes 11 sind im Bereich der Anbindung an den Querlenker 8 und im Bereich des Abschnittes 2a des Fahrzeugaufbaus 2 fest und unverrückbar gehalten. Auch darüber hinaus besitzt das Feder-Dämpfer-System 5 keine über einen Aktuator zu betätigende aktive Einstellmöglichkeit.
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Das aktive Zusatzsystem 6 umfasst eine mit dem zweiten Querlenker 9 fest gekoppelte Zusatzfeder 12 sowie mit der Zusatzfeder 12 in Reihe geschaltet eine Getriebevorrichtung 13, eine Haltekupplung 14 sowie einen Aktuator 15, über den das Zusatzsystem 6 mit dem Abschnitt 2b des Fahrzeugaufbaus verbunden ist. Über den Aktuator 15 ist der aufbauseitige Fußpunkt der Zusatzfeder 12 zu verstellen, wodurch Einfluss auf das über die Zusatzfeder übertragbare Kraftniveau genommen werden kann. Grundsätzlich möglich ist es auch, die Zusatzfeder 12 in sonstiger Weise über den Aktuator zu verstellen, beispielsweise eine Steifigkeitsveränderung der Zusatzfeder über den Aktuator vorzunehmen. Des Weiteren ist es möglich, anstelle einer Zusatzfeder als Kraftübertragungselement ein Dämpfungselement vorzusehen, das über den Aktuator zu verstellen ist, insbesondere im Hinblick auf eine Fußpunktverstellung oder auf eine Verstellung der Dämpferrate. Schließlich ist es auch möglich, zur Kraftübertragung in dem Zusatzsystem 6 parallel geschaltet eine Zusatzfeder und ein Zusatzdämpfungselement vorzusehen, wobei eines dieser Kraftübertragungselemente oder beide über den Aktuator zu verstellen sind.
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Bei dem Aktuator handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor, wobei grundsätzlich auch anderweitige Ausführungen für den Aktuator in Betracht kommen, zum Beispiel pneumatische oder hydraulische Aktuatoren oder elektromagnetische Stellglieder oder auch piezoelektrische Antriebe. Die Stellbewegung des als Elektromotor ausgeführten Aktuators 15 wird über die Getriebevorrichtung 13 auf die Zusatzfeder 12 übertragen, insbesondere zur Verstellung des Fußpunktes der Zusatzfeder. Über die Getriebevorrichtung 13 ist zweckmäßigerweise eine Umsetzung der rotatorischen Antriebsbewegung des Elektromotors in eine translatorische Verschiebebewegung zur Fußpunktverstellung möglich. Darüber hinaus kommt auch eine Getriebeübersetzung bzw. -untersetzung in Betracht. Zum Einsatz können als Getriebetyp Spindeltriebe, Stirnrad-/Zahnstangengetriebe oder sonstige Getriebevorrichtungen kommen.
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Die Haltekupplung 14 zwischen der Getriebevorrichtung 13 und dem Aktuator 15 ist zwischen einem eingekuppelten und einem ausgekuppelten Zustand zu verstellen, wobei im ausgekuppelten Zustand keine Kräfte über das Zusatzsystem übertragbar sind und im eingekuppelten Zustand das System sich im Kraftübertragungsmodus befindet. Im kräftefreien Modus werden die Radlasten ausschließlich über das passive Feder-Dämpfer-System 5 übertragen, wohingegen im Kraftübertragungsmodus sowohl eine Kraftübertragung über das Feder-Dämpfer-System 5 als auch über das Zusatzsystem 6 stattfindet.
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Die Haltekupplung kann sich im stromlosen Zustand sowohl im eingekuppelten als auch im ausgekuppelten Zustand befinden.
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Alternativ zu der dargestellten Ausführung ist es auch möglich, die Haltekupplung nicht zwischen Getriebevorrichtung und Aktuator, sondern auf der Rückseite zwischen Aktuator und dem Fahrzeugaufbau anzuordnen.
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Des Weiteren ist es möglich, den Aktuator 15 nicht am Fahrzeugaufbau bzw. der Fahrzeugkarosserie zu befestigen, sondern stattdessen am Querlenker 9 des Radlenkers 7. In dieser Ausführungsvariante befindet sich der Aktuator zwischen dem Radlenker und dem unteren Fußpunkt der Zusatzfeder 12.
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Mithilfe der vorbeschriebenen Radaufhängung lassen sich verschiedene Betriebsweisen realisieren. Bei geöffneter Haltekupplung 14 werden Kräfte ausschließlich über das Feder-Dämpfer-System 5, nicht jedoch über das Zusatzsystem 6 übertragen, so dass für die Kraftübertragung die Federrate der Tragfeder 10 maßgeblich ist. Da sich die Federrate des Gesamtsystems bei zugeschaltetem Zusatzsystem 6 über die Addition der Einzelfederraten bestimmt, ist üblicherweise die Tragfeder 10 weicher ausgelegt und besitzt eine entsprechend kleinere Federsteifigkeit, so dass bei geöffneter Haltekupplung 14 die weicher ausgelegte Tragfeder zu einem verbesserten Komfort mit verringerten Aufbaubeschleunigungen und Radlastschwankungen im Bereich der Aufbaueigenfrequenz führt.
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In einem Normal- oder Sportmodus wird die Haltekupplung 14 geschlossen, allerdings wird der Aktuator 15 nicht betätigt, sondern dient lediglich als starres Bauteil zur Kraftübertragung. Die Gesamtfederrate bestimmt sich durch Addition der Einzelfederraten, so dass das gesamte System eine erhöhte Steifigkeit aufweist.
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Zur Niveauregulierung werden die Aktuatoren verstellt, wodurch die Abstützpunkte bzw. Fußpunkte der Zusatzfeder verschoben werden. Auf diese Weise kann das Niveau des Fahrzeugaufbaus erhöht oder abgesenkt oder bei einer Beladungsänderung konstant gehalten werden.
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Die Höhenbeeinflussung kann sowohl statisch bzw. quasistatisch zur Niveauregulierung als auch dynamisch während bestimmter Fahrmanöver durchgeführt werden, beispielsweise zum Ausgleich von Nickwinkeln, welche durch bestimmte Fahrmanöver wie starke Beschleunigung- oder Bremsvorgänge induziert werden.
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Für die Niveauregulierung sind grundsätzlich Aktuatoren mit verhältnismäßig geringer Leistung ausreichend, da die Änderung der Fahrzeughöhe nicht zeitkritisch ist und dementsprechend langsamer durchgeführt werden kann. Nach Abschluss der Niveaueinstellung wird das erreichte Niveau ohne weitere Energiezufuhr in den Aktuator gehalten.
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Die Radaufhängung kann auch zur Realisierung eines teilaktiven Fahrwerks eingesetzt werden, indem der Fuß- bzw. Abstützpunkt der Zusatzfeder 12 über den zugeordneten Aktuator 15 während eines Fahrmanövers dynamisch verändert wird. Die Einstellung kann radindividuell durchgeführt werden.
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Bei einer weiteren dynamischen Betätigung kann über das Zusatzsystem 6 eine Wankstabilisierung durchgeführt werden, insbesondere bei Kurvenfahrt oder bei einer Fahrt auf schiefer Ebene. Bei der Wankstabilisierung erfolgt an gegenüberliegenden Fahrzeugseiten eine unterschiedlich starke Fußpunktverstellung der Zusatzfeder 12.
