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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feder-Dämpfer-Einheit zur Höhenverstellung eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Radaufhängungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 und ein Kraftfahrzeug.
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Zur statischen und dynamischen Niveauregulierung bzw. Höhenverstellung von Fahrzeugen sind schraubengefederte und radführende Federbeine, beispielsweise das McPherson Federbein, bekannt, bei denen zwischen einem Ende der Feder und der Karosserie ein Verstellmittel angeordnet ist. Dieses Verstellmittel stellt das optimale Fahrzeugniveau auch bei Belastungsänderungen her bzw. ermöglicht eine zusätzlich wählbare Höhenverstellung.
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Als Verstellmittel wird dabei im Allgemeinen ein Gewindetrieb bzw. ein Spindeltrieb eingesetzt, welcher von einem Elektromotor betrieben ist. Dabei treibt der Elektromotor eine Gewindetriebspindel an, welche ihrerseits eine Gewindetriebmutter bewegt. In einem ausgeschalteten Zustand des Elektromotors soll keine Höhenverstellung erfolgen. Dabei treten jedoch aufgrund der auf an der Gewindetriebmutter wirkenden Kräfte auch am Elektromotor Kräfte auf. Um im ausgeschalteten Zustand des Elektromotors eine ungewollte Höhenverstellung zu vermeiden muss deshalb der Elektromotor eine Haltekraft aufbringen. Dies ist mit einem nachteiligen Energieverbrauch und einer Belastung des Elektromotors verbunden. Aus diesem Grund ist es bekannt, mittels einer Sperrvorrichtung eine Bewegung des Verstellmittels zu verhindern, so dass der Elektromotor in einem ausgeschalteten Zustand keine Kräfte aufbringen muss.
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Aus der
DE 10 2007 051 971 A1 ist eine Stellvorrichtung für Federungseinrichtungen bei Radaufhängungen bei Kraftfahrzeugen bekannt. Die Federungseinrichtung weist eine zwischen dem Aufbau des Kraftfahrzeuges und Radführungselementen angeordnete erste Feder, etwa Tragfeder, und/oder eine parallel oder in Reihe geschaltete zweite Feder, etwa Speicherfeder, sowie einen elektrisch betätigten Aktuator auf, mittels dem eine Kraftverstellung zwischen dem Kraftfahrzeugaufbau und den Radführungselementen ermöglicht ist. Dabei ist der elektrische Aktuator mit einer integrierten Bremse oder Sperre versehen, die bistabil derart wirkt, dass sie im unbestromten Zustand eine offene oder geschlossene Stellung einnehmen kann und die mittels elektrischer Betätigung von der offenen in die geschlossene Stellung und umgekehrt umschaltbar ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Feder-Dämpfer-Einheit, ein Radaufhängungssystem und ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, bei dem die Versteileinrichtung zur Höhenverstellung des oberen Federtellers bei einer nicht gewünschten Höhenverstellung zuverlässig mit einem geringen technischen Aufwand gesperrt werden kann. Ferner sollen die Feder-Dämpfer-Einheit, das Radaufhängungssystem und das Kraftfahrzeug in der Herstellung preiswert sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Feder-Dämpfer-Einheit zur Höhenverstellung eines Fahrzeuges, umfassend einen Schwingungsdämpfer, eine Tragfeder zur Federung des Fahrzeuges, einen oberen Federteller, an welchem die Tragfeder abgestützt ist, eine Verstelleinrichtung zur Höhenverstellung des oberen Federtellers mit einem Aktuator und einem Stellmechanismus, wobei vorzugsweise der Stellmechanismus zur Umwandlung der durch den Aktuator erzeugten Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung des oberen Federtellers ausgebildet ist, eine Sperrvorrichtung mit einem beweglichen Sperrstift zum Sperren und Öffnen des Stellmechanismus und mit einem elektrischen Sperrstiftaktuator zum Bewegen des Sperrstiftes, wobei der Sperrstift zwischen einer Sperrstellung und einer Öffnungsstellung beweglich ist und in der Sperrstellung die Höhenverstellung des oberen Federtellers mit dem Stellmechanismus gesperrt ist und in der Öffnungsstellung der obere Federteller höhenverstellbar ist mit dem Stellmechanismus, vorzugsweise ein Axiallager zur Lagerung des oberen Federtellers an einer Karosserie des Fahrzeuges, wobei sich in einem bestromten Zustand des Sperrstiftaktuators der Sperrstift, insbesondere ständig, in der Öffnungsstellung befindet und in einem stromfreien Zustand des Sperrstiftaktuators der Sperrstift, insbesondere ständig, in der Sperrstellung befindet.
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Die Bewegung des Sperrstiftes zwischen der Öffnungsstellung und der Sperrstellung erfolgt somit nicht durch ein kurzzeitiges Bestromen des Sperrstiftaktuators, sondern zur Erreichung der Öffnungsstellung ist der Sperrstiftaktuator ständig zu bestromen und nach einer Abschaltung des Bestromens des Sperrstiftaktuators bewegt sich der Sperrstiftaktuator selbsttätig in die Sperrstellung, ohne dass dafür Strom erforderlich ist. Dadurch kann die Sicherheit der Federdämpfereinheit erhöht werden, weil bei einem Stromausfall an der Federdämpfereinheit sich der Sperrstift selbsttätig in die Sperrstellung bewegt und in der Sperrstellung auch bleibt. Als Sperrstift wird vorzugsweise auch ein Sperrelement, ein Sperrhebel oder ein Bauteil zum sperren oder blockieren eines anderen Bauteiles betrachtet.
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Insbesondere ist der elektrische Sperrstiftaktuator ein Elektromagnet oder ein Piezoelement und die Sperrvorrichtung umfasst ein elastisches Element. Insbesondere ist der Elektromagnet als ein Hubmagnet ausgebildet In einer weiteren Ausgestaltung ist in dem bestromten Zustand des Sperrstiftaktuators der Sperrstift entgegen einer von dem elastischen Element aufgebrachten Kraft in der Öffnungsstellung von einer von dem Sperrstiftaktuator aufgebrachten Kraft gehalten und/oder in dem stromfreien Zustand des Sperrstiftaktuators ist der Sperrstift von dem elastischen Element in der Sperrstellung gehalten. Bei einem stromfreien Zustand, der insbesondere auch bei einem Stromausfall auftritt, wird somit der Sperrstift selbsttätig von dem elastischen Element in die Sperrstellung gebracht und auch in der Sperrstellung gehalten.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist das elastische Element eine Feder und/oder der Sperrstift ist in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung zwischen der Sperrstellung und der Öffnungsstellung beweglich.
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Vorzugsweise ist der Sperrstift mittels einer von dem elastischen Element aufgebrachten Kraft von der Öffnungsstellung in die Sperrstellung beweglich und/oder der Sperrstift ist mittels einer von dem Sperrstiftaktuator aufgebrachten Kraft entgegen der Kraft des elastischen Elementes von der Sperrstellung in die Öffnungsstellung beweglich.
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In einer Variante ist der Stellmechanismus als Gewindetrieb ausgebildet, welcher eine Gewindetriebspindel, insbesondere mit einem Außengewinde, aufweist, welche in eine, mit dem oberen Federteller verbundenen Gewindetriebmutter eingreift, wobei vorzugsweise die Gewindetriebmutter die Gewindetriebspindel koaxial umschließt und insbesondere die Gewindetriebmutter ein Innengewinde aufweist.
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Zweckmäßig ist die Gewindetriebspindel mit einer Sperrscheibe verbunden und an der Sperrscheibe sind koaxial Zähne ausgebildet. Die Zähne an der Sperrscheibe weisen im Wesentlichen den gleichen Abstand zu einer Rotationsachse der Sperrscheibe auf und weisen eine Ausdehnung parallel zu der Rotationsachse der Sperrscheibe auf.
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In einer weiteren Ausführungsform ist in der Sperrstellung des Sperrstiftes eine Bewegung der Sperrscheibe gesperrt, da der Sperrstift in Zwischenräume zwischen den Zähnen eingreift und in der Öffnungsstellung des Sperrstiftes ist die Sperrscheibe beweglich, da der Sperrstift außerhalb der Zwischenräume zwischen den Zähnen angeordnet ist. In der Sperrstellung ist eine Rotationsbewegung der Sperrscheibe nicht mehr möglich, weil der Sperrstift an einem Zahn der Sperrscheibe anliegt und dadurch die Bewegung der Sperrscheibe behindert ist.
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Insbesondere weist der Aktuator zum Antrieb des Stellmechanismus einen Elektro-, einen Pneumatik- oder einen Hydraulikmotor auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Elektromotor als ein Ringmotor ausgebildet mit einem Rotor und einem Stator, die konzentrisch zueinander gelagert sind, wobei der Rotor des Ringmotors mit der Gewindetriebspindel des Stellmechanismus zur Umwandlung der Rotationsbewegung in die translatorische Bewegung verbunden ist.
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In einer ergänzenden Variante ist mit einer Welle die Antriebskraft des Elektromotors zu der Gewindetriebspindel übertragbar.
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In einer weiteren Variante ist die Welle mit einem Planetengetriebe mit der Gewindetriebspindel verbunden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Sperrstift als ein Sperrhebel ausgebildet und der Sperrhebel ist vorzugsweise um eine im Wesentlichen horizontale Rotationsachse verschwenkbar gelagert.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Gewindetrieb als Kugelgewindetrieb oder als Planetenwälzgewindetrieb ausgebildet. Daraus ergibt sich eine besonders reibungsfreie Lösung, welche eine leichtgängige Verstellung ermöglicht.
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In einer ergänzenden Ausführungsform ist die Tragfeder, insbesondere radial, formschlüssig mit dem oberen Federteller verbunden. Aus dieser formschlüssigen Verbindung der Tragfeder am oberen Federteller ergibt sich eine Verdrehsicherheit des oberen Federtellers genauso wie der mit dem oberen Federteller fest verbundenen Gewindetriebmutter.
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Vorzugsweise ist der Elektro-, der Pneumatik- oder der Hydraulikmotor oberhalb des oberen Federtellers angeordnet. Dadurch kann der Bauraum oberhalb des oberen Federtellers für die verbleibenden mechanischen Funktionselemente der Feder-Dämpfer-Einheit genutzt werden, wodurch sich der Raumbedarf verbessert.
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Zweckmäßig ist der Elektro-, der Pneumatik- oder der Hydraulikmotor fest mit dem Fahrzeugaufbau verbunden. Dadurch entfallen bewegliche elektrische Anschlüsse für den Antrieb. Die feststehenden Anschlüsse sind jederzeit leicht zugänglich. Durch die Außenlage des Motors lässt sich auch eine gute Kühlmöglichkeit realisieren.
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In einer ergänzenden Variante ist an dem Dämpferrohr ein unterer Federteller befestigt, welcher mittels der Tragfeder mit dem oberen Federteller verbunden ist.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Sperrvorrichtung innerhalb einer als Hohlspindel ausgebildeten Gewindetriebspindel angeordnet.
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Ein erfindungsgemäßes Radaufhängungssystem umfasst eine Feder-Dämpfer-Einheit, vorzugsweise einen Querlenker und vorzugsweise eine Spurstange, wobei die Feder-Dämpfer-Einheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Feder-Dämpfer-Einheit ausgebildet ist.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Feder-Dämpfer-Einheit und/oder ein ebenfalls in der Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Radaufhängungssystem.
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Feder-Dämpfer-Einheit in einem Längsschnitt,
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2 eine vergrößerte Darstellung der Feder-Dämpfer-Einheit gemäß 1 in dem Längschnitt,
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3 eine perspektivische Ansicht einer Sperrvorrichtung als Teil der Feder-Dämpfer-Einheit gemäß 1 und
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4 eine Seitenansicht der Sperrvorrichtung.
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In 1 ist eine Feder-Dämpfer-Einheit 1 für ein Kraftfahrzeug zur Einzelradaufhängung an einer Achse des Kraftfahrzeuges abgebildet. Die Feder-Dämpfer-Einheit 1 übernimmt die Verbindung zwischen dem Radträger zur Karosserie des Kraftfahrzeuges. Die Feder-Dämpfer-Einheit 1 weist einen Schwingungsdämpfer 2 auf, welcher aus einer Kolbenstange 3 besteht, die in einem zylinderförmigen Dämpferrohr 4 geführt wird. Das Dämpferrohr 4 des Stoßdämpfers 2 führt (nicht dargestellt) einen nicht dargestellten Radträger oder auch einen Quer-, Längs- oder Schräglenker (nicht dargestellt). An einem Ende des Dämpferrohres 4 ist ein unterer Federteller (nicht dargestellt) befestigt, auf welchem eine als Schraubenfeder ausgebildete Tragfeder 7 aufliegt. Das entgegen gesetzte, obere Ende der Tragfeder 7 führt an einen oberen Federteller 8, welcher von einem Karosserieteil des Kraftfahrzeuges, dem Fahrzeugdom 9, abgedeckt ist. Zwischen dem oberen Federteller 8 und dem Fahrzeugdom 9 ist eine Entlastungsfeder 6 angeordnet. Um die Entlastungsfeder 6 ist ein Faltenbalg 5 angeordnet, welcher vor Verschmutzungen schützt. Auch um den Schwingungsdämpfer 2 ist ein Faltenbalg 5 angeordnet. Die Entlastungsfeder 6 nimmt einen Teil der von dem Federteller 8 auf den Fahrzeugdom 9 zu übertragenden Kräfte auf und entlastet damit eine Verstelleinrichtung 16 (1).
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Wie aus dem Längsschnitt in 1 ersichtlich, ist unterhalb des Fahrzeugdomes 9 ein als Ringmotor 12 ausgebildeter Elektromotor 11 angeordnet als Aktuator 10, welcher aus einem Stator 13 besteht, der einen Rotor 14 konzentrisch umschließt. Am Rotor 14 ist eine Welle 15 befestigt, welche somit bei einem bestromten Elektromotor 11 eine Rotationsbewegung ausführt. Die Welle 15 ist mit einem Planetengetriebe 21 mechanisch mit einer Gewindetriebspindel 18 gekoppelt, welche mittels eines Axiallagers 25 an einem Aktuatorgehäuse mittelbar an dem Fahrzeugdom 9 gelagert ist. Das Planetengetriebe 21 umfasst ein an der Welle 15 angeordnetes Sonnenrad 22, Planetenräder 23 und ein Hohlrad 24, welches mit einer Gewindetriebspindel 18 verbunden ist (2). Die Gewindetriebspindel 18 mit einem Außengewinde 19 greift in ein Innengewinde der Gewindetriebmutter 20 ein und beide bilden einen Stellmechanismus 17. Der Stellmechanismus 17 und der Aktuator 10 stellen die Verstelleinrichtung 16 dar. Die Rotationsbewegung der Welle 15 und der Gewindetriebspindel 18 wird von dem Stellmechanismus 17 in eine im Wesentlichen vertikal ausgerichtete translatorische Bewegung umgewandelt. Der obere Federteller 8 ist mit der Gewindetriebmutter 20 verbunden, so dass bei einer vertikalen Bewegung des oberen Federtellers 8 die axiale Vorspannung der Tragfeder 7 verändert wird und eine Höhenverstellung des Fahrzeuges möglich ist.
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An der Gewindetriebspindel 18 ist eine Sperrscheibe 37 (1 und 2) befestigt. Die Sperrscheibe 37 weist oberseitig Zähne 38 auf (4). Ein Sperrhebel 28 ist als Sperrstift 27 ausgebildet und ist dahingehend gelagert, dass der Sperrhebel 28 um eine Rotationsachse 29 verschwenkbar ist. Das Ende des Sperrhebels 28 führt somit bei einer Rotation um die Rotationsachse 29 des Sperrhebels 28 eine im Wesentlichen vertikale Bewegung im Einbauzustand am Kraftfahrzeug aus. Eine im Wesentlichen vertikale Bewegung des Sperrstiftes 27, d. h. des Endes des Sperrhebels 28 stellt dabei eine Bewegung in einer Richtung mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10° zu einer vertikal ausgerichteten Gerade oder Ebene dar. Ein Elektromagnet 36 dient als Sperrstiftaktuator 35 zum Bewegen des Sperrhebels 28. Hierzu ist ein Magnetbolzen 30 sowohl an dem Elektromagneten 36 als auch an dem Sperrhebel 28 befestigt. Der Magnetbolzen 30 ist dabei mittels einer Lagerung 31 an dem Sperrhebel 28 gelagert. An dem Sperrhebel 28 ist im Wesentlichen koaxial zu der Rotationsachse 29 auch ein elastisches Element 22 befestigt. Das elastische Element 32 stellt dabei eine als Ringfeder 34 ausgebildete Feder 33 dar. Der Sperrhebel mit dem Sperrstift 27 und der Sperrstiftaktuator 35 bilden somit eine Sperrvorrichtung 26 (4).
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In 4 ist eine Sperrstellung des Sperrhebels 28 dargestellt. Dabei greift das Ende des Sperrhebels 28, d. h. der Sperrstift 27, in einen Zwischenraum zwischen den Zähnen 38 der Sperrscheibe 37 ein, so dass dadurch die Rotationsbewegung der Sperrscheibe 37 gehemmt bzw. behindert ist. Damit kann auch die Gewindetriebspindel 18 in der Sperrstellung des Sperrstiftes 27 keine Rotationsbewegung mehr ausführen. Die Sperrscheibe 37 ist mittels einer Lagerung 39 gelagert (2). Zum Bewegen des Sperrstiftes 27 von der Sperrstellung gemäß 2 in eine Öffnungsstellung, so dass der Sperrstift 27 außerhalb der Zwischenräume zwischen den Zähnen 38 der Sperrscheibe 37 angeordnet ist und damit eine Rotationsbewegung der Sperrscheibe 37 möglich ist, wird der Elektromagnet 36 bestromt. Dadurch bringt der Elektromagnet 36 mittels des Magnetbolzens 30 eine Zugkraft auf und diese wirkt mittels der Lagerung 31 auf den Sperrhebel 28. Die Ringfeder 34 bringt auf den Sperrhebel 28 eine Kraft auf, welche den Sperrhebel 28 von der Öffnungsstellung in die Sperrstellung bewegt, d. h. bei der Darstellung in 3 eine Bewegung des Sperrstiftes 27 von oben nach unten. Die von dem Elektromagneten 36 aufgebrachte Zugkraft ist dabei größer als das von der Ringfeder 34 auf den Sperrhebel 38 aufgebrachte Drehmoment unter Berücksichtigung der Lagerung 31 des Magnetbolzens 30. Dadurch wird bei einer Bestromung des Elektromagneten 36 der Sperrhebel 28 entgegen der Kraft der Ringfeder 34 nach oben bewegt, d. h. führt eine Rotationsbewegung im Uhrzeigersinn gemäß der Darstellung in 3 um die Rotationsachse 29 aus.
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Zur Höhenverstellung eines Fahrzeuges wird somit zunächst zuerst der Elektromagnet 36 bestromt, so dass sich dadurch der Sperrhebel 28 von der Sperrstellung in die Öffnungsstellung bewegt. Anschließend kann der Elektromotor 11 bestromt werden und dadurch eine Höhenverstellung des Fahrzeuges mittels einer vertikalen Bewegung des oberen Federtellers 8 nach oben oder nach unten erreicht werden. Nach dem Abschluss der gewollten Höhenverstellung des oberen Federtellers 8 mittels des Elektromotors 11 und des Stellmechanismus 17 wird der Elektromotor 11 wieder abgeschaltet und anschließend auch die Bestromung des Elektromagneten 36 aufgehoben. Dadurch wirkt auf die Lagerung 31 auf dem Sperrhebel 28 keine Kraft mehr, so dass aufgrund der Kraft der Ringfeder 34, welche auf den Sperrhebel 28 wirkt und der Schwerkraft, welche zusätzlich auf den Sperrhebel 28 wirkt, sich der Sperrhebel 28 wieder von der Öffnungsstellung in die Sperrstellung bewegt. Bei der Bewegung des Sperrhebels 28 von der Öffnungsstellung in die Sperrstellung führt der Sperrhebel 28 eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse 29 entgegen dem Uhrzeigersinn aus gemäß der Darstellung in 3 und der Sperrstift 27 bewegt sich im Wesentlichen vertikal nach unten. Dadurch kann der Sperrstift 27 in die Zwischenräume zwischen den Zähnen 38 eingreifen und hemmt bzw. behindert damit eine Rotationsbewegung der Sperrscheibe 37 und damit auch der Gewindetriebspindel 18, weil die Gewindetriebspindel 18 mit der Sperrscheibe 37 verbunden ist. Im bestromten Zustand des Elektromagneten 36 befindet sich somit der Sperrstift 27 in der Öffnungsstellung und im nicht bestromten Zustand des Elektromagneten 36 befindet sich somit der Sperrstift 27 in der Sperrstellung.
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Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Feder-Dämpfer-Einheit 1 wesentliche Vorteile verbunden. Mittels der Sperrvorrichtung 26 kann eine ungewollte vertikale Bewegung des oberen Federtellers 8 auch bei einem abgeschalteten Elektromotor 11 verhindert werden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Elektromotor 11 entlastet werden und die Sperrvorrichtung 26 arbeitet besonders zuverlässig, weil nur im bestromten Zustand des Elektromagneten 36 sich der Sperrstift 27 in der Öffnungsstellung befindet. Beispielsweise bei einem Stromausfall an der Feder-Dämpfer-Einheit 1 ist somit ein ungewolltes Verändern einer Höhenvorstellung mittels des Stellmechanismus 17 nicht mehr möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007051971 A1 [0004]
