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Die Erfindung betrifft ein Federbein für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Ein Federbein weist üblicherweise einen Teleskop-Stoßdämpfer mit Dämpferrohr sowie darin verschiebbar gelagerter Kolbenstange sowie eine Tragfeder auf. Die Kolbenstange des Teleskop-Stoßdämpfers kann über ein Dämpferlager aufbauseitig abgestützt sein. Üblicherweise ist das Dämpferlager ein Elastomerelement, das zum Einleiten von Dämpferkräften über eine vordefinierte Kennlinie ausgelegt ist.
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Aus der
DE 40 2008 029 062 A1 ist ein solches gattungsgemäßes Federbein bekannt, bei dem der Teleskop-Stoßdämpfer zwischen einem Radführungselement der Radaufhängung und dem Fahrzeugaufbau abgestützt ist.
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Bei derartigen Federbeinen kann es durch kinematisch bedingte Verzwängungen in der Radaufhängung zu einer verminderten Ansprechempfindlichkeit und gegebenenfalls zu einem sogenannten Stick-Slip-Effekt des Stoßdämpfers kommen. Dadurch kann der Fahrkomfort des Fahrzeuges beeinträchtigt sein. Verursacht wird dies im Wesentlichen durch mehr oder minder starke Querkräfte und Biegemomente, die auf die Kolbenstange des Stoßdämpfers wirken und die teils durch einseitig wirkende Federkräfte der Tragfeder und/oder durch Seitenkräfte und/oder durch Lager-Verzwängungskräfte und/oder durch über eine an das Federbein angebundene Koppel eingeleitete Stabilisatorkräfte ausgelöst werden, wodurch die Dämpferlagerung entsprechend belastet wird. Zum Ausgleich derartiger Querkraftbelastungen ist aus der
DE 10 2008 029 062 A1 bekannt, eine zusätzliche externe Führung vorzusehen, an der sich die Kolbenstange bei einer Querkraftbelastung radial abstützen kann. Somit ist neben der üblichen inneren Kolbenstangenführung innerhalb des Dämpferrohres zusätzlich eine externe Kolbenstangenführung vorgesehen, die einer Querkraftbelastung der Kolbenstange entgegenwirkt.
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Diese externe Führung der Kolbenstange ist mit hohem Materialaufwand so zu dimensionieren, dass die Querkraftbelastungen bei sämtlichen Fahrsituationen betriebssicher ausgeglichen werden können, um Komforteinbußen zu vermeiden.
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Aus der weiteren
DE 10 2005 001 742 A1 ist ein Federbein mit einem Teleskop-Stoßdämpfer bekannt. Der Kolbenstangenkopf des Stoßdämpfers ist über ein Kugelgelenk an ein fahrzeugseitiges Dämpferlager angebunden. Durch das Kugelgelenk lassen sich auf die Kolbenstange des Stoßdämpfers wirkende Querkräfte reduzieren, die zum Beispiel aufgrund von Schwenkbewegungen der Radführungselemente auftreten können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Federbein für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, bei dem in unterschiedlichen Fahrsituationen eine auftretende Querbelastung betriebssicher ausgeglichen werden kann.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass mit einem aktiv ansteuerbaren Stellglied Ausgleichskräfte in das Federbein eingeleitet werden können, die jeweils situationsbedingt der augenblicklichen Größe der Querkraftbelastung angepasst sind. Vor diesem Hintergrund weist das Federbein, gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 einen Regelkreis auf, mit dem zunächst eine auf den Teleskop-Stoßdämpfer wirkende Querkraftbelastung als ein Istwert erfasst wird. Auf der Grundlage des erfassten Istwertes kann der Regelkreis ein Gegenmoment ermitteln, mit dem die Querkraftbelastung reduzierbar ist. Das so ermittelte Gegenmoment kann über das zumindest eine Stellglied in den Teleskop-Stoßdämpfer eingeleitet werden.
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Somit ist eine Regelung mit Signalrückführung bereitgestellt, bei der der Querkraftbelastung stets passgenau ein Gegenmoment entgegenwirkt. Das Stellglied kann dabei in beliebiger Weise kraftschlüssig am Federbein angebunden sein, um Stellkräfte einzuleiten. Um jedoch die Dämpfungsfunktion des Federbeins nicht zu beeinträchtigen, ist es von Vorteil, wenn das Stellglied unmittelbar die Stellkräfte in das Dämpferlager einleitet.
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Der Regelkreis kann eine elektronische Regeleinrichtung aufweisen, mit der auf der Grundlage einer Istwerterfassung sowie eines Soll-/Istwertvergleichs das Gegenmoment ermittelt werden kann. Entsprechend kann die elektronische Regeleinrichtung Stellsignale zum Stellglied leiten, das wiederum Stellkräfte auf das Federbein ausübt. Das Stellglied kann beispielhaft ein hydraulisch oder elektrisch arbeitender Aktuator sein. Zur Istwerterfassung kann ein Sensor, etwa ein Weg- und/oder Kraftaufnehmer, vorgesehen sein, mit dem die auf das Federbein, insbesondere auf das Dämpferlager, wirkende Querkraftbelastung erfasst wird. Die Regelung kann daher kraft- oder alternativ auch weggesteuert ausgeführt werden.
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Das Federbein ist so am Fahrzeugaufbau anzubinden, dass die zur Einstellung der Querkraftkompensation erforderliche Querverschiebung und Rotation ermöglicht ist. Die Anbindung kann beispielhaft über an sich bekannte Elastomer-Elemente erfolgen.
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Es ist von Bedeutung, dass der Regelkreis mit hoher Regelgüte, das heißt mit hoher Ansprechempfindlichkeit, die Querkraftkompensation vornehmen kann. Vor diesem Hintergrund kann das Federbein bevorzugt nicht unmittelbar über ein Elastomer-Dämpferlager am Fahrzeugaufbau angelenkt sein, sondern unter Zwischenschaltung eines Gelenks, dessen Gelenkpartner zueinander in leichtgängiger Weise schwenkbeweglich sind. Bevorzugt kann das Stellglied mit einem dieser Gelenkpartner kraftübertragend gekoppelt sein, wodurch leichtgängige Stellbewegungen auf das Federbein übertragen werden können. Bevorzugt ist es, wenn das Federbein über ein Kugelgelenk am Fahrzeugaufbau angelenkt ist. Das Kugelgelenk kann als Gelenkpartner einen federbeinseitigen Kugelkopf sowie eine fahrzeugaufbauseitige Kugelpfanne aufweisen.
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Generell kann das aus einem Elastomerelement gebildete Dämpferlager in einer Kraftflussrichtung vor oder nach dem Gelenk angeordnet sein. Dies führt jedoch zu einer insgesamt relativ großvolumigen Federbeinlagerung am Fahrzeugaufbau, was im Hinblick auf den nur begrenzt verfügbaren Bauraum problematisch ist. Vor diesem Hintergrund ist es von Vorteil, wenn der federbeinseitige Kugelkopf beispielsweise durch Halbschalen ausgebildet ist, die einen Lagerraum umschließen. In dem Lagerraum des Kugelkopfes kann das Dämpferlager eingesetzt sein. Zudem kann innerhalb des Lagerraums der Federbeinkopf, typischerweise der Kolbenstangenkopf, am Dämpferlager angebunden sein.
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Wie oben erwähnt, ist mit Hilfe des zwischen dem Federbein und dem Fahrzeugaufbau geschalteten Gelenkes eine leichtgängige Schwenkbewegung ermöglicht. Zusätzlich ist es von Vorteil, wenn das Gelenk in Querrichtung linear verstellbar gelagert ist. Hierzu kann insbesondere einer der Gelenkpartner des Gelenkes querverschiebbar an aufbaufesten Lagerelementen gelagert sein. Im Falle eines Kugelgelenkes kann insbesondere die radial äußere Kugelpfanne des Kugelgelenkes an ihren, den sphärischen Lagerflächen gegenüberliegenden Seiten zusätzlich querverschiebbar gelagert sein. An dem querverschiebbar gelagerten Gelenkpartner kann zumindest ein Weg- und/oder Kraftaufnehmer angreifen, mit dem die Istwerterfassung des Regelkreises durchführbar ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Kugelpfanne zwei diametral gegenüberliegende Kugelpfannenelemente aufweisen. Zwischen deren einander zugewandten sphärischen Lagerflächen kann der Kugelkopf des Federbeins gelagert sein. Die beiden gegenüberliegenden Kugelpfannenelemente können zudem über aufbaufeste Lagerelemente querverschiebbar gelagert sein. Die Lagerung an den aufbaufesten Lagerelementen kann beispielhaft über eine Kugel-, Wälz- oder Gleitlagerung erfolgen. Der als Hohlprofil gebildete Kugelkopf kann eine Durchführungsöffnung aufweisen, durch die die Kolbenstange des Teleskop-Stoßdämpfers in den Lagerraum des Kugelkopfes geführt ist.
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Um die Einleitung eines Gegenmomentes in das Federbein weiter zu verbessern, kann in der Durchführungsöffnung eine Führungsbuchse eingesetzt sein. Diese kann kraftübertragend in Gleitkontakt mit der Kolbenstange sein. Dadurch bleibt die Gummilagerkennung des im Kugelkopf angeordneten Dämpferlagers erhalten und wird das Dämpferlager nicht durch das Gegenmoment vorgespannt. Die Dämpferankoppelung an der Karosserie erfolgt daher innerhalb des Kugelkopfes. Alternativ kann die Lagerung auch über Elastomerelemente erfolgen, um ein Spiel im Lagersystem zu vermeiden.
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Der erfindungsgemäße Regelkreis kann optional auch mit Fahrerassistenzsystemen gekoppelt sein, zum Beispiel Kurvenerkennung über Kamera oder Navigationssysteme etc.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein am Aufbau und an einem Querlenker einer Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug angelenktes Federbein mit Darstellung der durch Ein- und Ausfederbewegungen, sowie durch überlagerte Lenkbewegungen entstehenden Querkräfte;
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2 abschnittsweise eine Federbeinlagerung am Fahrzeugaufbau; und
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3 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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In der 1 ist ein Federbein 10 dargestellt, das einen Teleskop-Stoßdämpfer 12 sowie eine radial außerhalb angeordnete Tragfeder 14 aufweist. Das Federbein 10 ist als Teil einer Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug einerseits am Fahrzeugaufbau 20 über ein Dämpferlager 22 und andererseits über eine nicht näher dargestellt Gummi-Metall-Hülsenlagerung 24 an einem Querlenker 26 als Radaufhängungselement der Radaufhängung angelenkt. Die Tragfeder 14 ist an ihrem unteren Ende über einen Federteller 28 am Dämpferrohr 30 des Stoßdämpfers 12 fest abgestützt und liegt an ihrem oberen Ende an einem später beschriebenen aufbaufesten Lagerelement 60 an. Die Kolbenstange 38 des Stoßdämpfers 12 ist mit ihrem Kolbenstangenkopf 39 am Dämpferlager 22 abgestützt. Der Aufbau und die Funktionsweise der aufbauseitigen Federbeinlagerung Wird später anhand der 2 erläutert.
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Das Dämpferlager 22 hat unter anderem die Aufgabe, hochfrequente Schwingungen, die von der Fahrbahn über das Fahrwerk in den Fahrzeugaufbau 20 gelangen würden, zu reduzieren. Außerdem werden durch das Dämpferlager 22 Fahrbahnstöße abgemildert, zum Beispiel bei Überfahrt von Hindernissen. Entsprechend ist die Gestaltung des Dämpferlagers 22 nach speziellen, progressiv verlaufenden Kennlinien ausgelegt, wodurch das Dämpferlager zum Beispiel bei zunehmendem Federweg verhärtet.
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Im Fahrbetrieb wird dem Federbein 10 von der Kinematik (Pfeil 54) des Querlenkers 26 über den Federweg und/oder die Lenkbewegung eine kardanische Bewegung mit einem Drehmoment (MD) aufgezwungen. Auf diese Weise ergeben sich aus der Verzwängung des Dämpferlagers 22 in Querrichtung y wirkende Abstützkräfte in den jeweiligen Führungen der Kolbenstange 38 bzw. des Dämpferrohrs 30. Dadurch besteht die Gefahr von nachteilhaften Stick-Slip-Effekten, die sich negativ auf eine einwandfreie Dämpferfunktion auswirken.
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Um einer derartigen Querkraftbelastung entgegenzuwirken, ist die aufbauseitige Federbeinlagerung wie anhand der 1 und 2 im Detail beschrieben aufgebaut. Demzufolge ist die Kolbenstange 38 mit ihrem Kolbenstangenkopf 39 über ein als Kugelgelenk ausgebildetes Gelenk 41 am Fahrzeugaufbau 20 angelenkt. Die Gelenkanbindung des Kolbenstangenkopfes 39 erfolgt innerhalb eines Kugelkopfes 43 des als Kugelgelenk ausgebildeten Gelenks 41. Hierzu ist der Kugelkopf 43 durch zwei einander zugewandte Halbschalen 45 (2) aufgebaut, die randseitig miteinander verschraubt sind. Die beiden Halbschalen 45 begrenzen innenseitig einen Lagerraum 47, der eine seitliche ringförmig umlaufende Ausnehmung 49 aufweist, in der ein ringförmiges Elastomerelement 51 des Dämpferlagers 22 eingesetzt ist. Das ringförmige Elastomerelement 51 wird mittels einer Basisplatte 53 am Kolbenstangenkopf 39 verschraubt. Die beiden halbkugelförmigen Halbschalen 45 sind radial außenseitig über Kugellagerungen 54 an sphärischen Lagerflächen 55 von Kugelpfannenelementen 59 schwenkbeweglich gelagert. Die beiden Kugelpfannenelemente 59 sind einander vertikal gegenüberliegend angeordnet und an ihren oberen und unteren Außenseiten ebenfalls quer verschiebbar in der Fahrzeugquerrichtung y an aufbaufesten Lagerelementen 60, 61 gelagert.
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Der Kugelkopf 43 sowie die beiden radial äußeren Kugelpfannenelemente 59 bilden daher zueinander schwenkbare Gelenkpartner. Diese sind relativ zu den aufbaufesten Lagerelementen 60, 61 quer verschieblich gelagert. Gemäß der 2 ist die Kolbenstange 38 durch eine in der unteren Halbschale 45 vorgesehene Durchführungsöffnung 63 sowie durch weitere Durchführungsöffnungen 64, 65 des unteren Kugelpfannenelementes 59 sowie des unteren aufbaufesten Lagerelements 60 herausgeführt. Die Kolbenstange 38 ist dabei über einen, den Freigang bildenden Ringspalt vom Rand der Durchführungsöffnungen 63, 64, 65 beabstandet.
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Zum Ausgleich der im Fahrzeugbetrieb auftretenden Querkraftbelastung weist das Federbein 10 gemäß der 2 einen Regelkreis R auf, mit dem in Abhängigkeit von der Querkraftbelastung MD (1) ein Gegenmoment MK erzeugt wird, das auf das Dämpferlager 22 wirkt. Hierzu sind Stellglieder 67 vorgesehen, von denen in der 2 nur ein Stellglied gezeigt ist, das am Fahrzeugaufbau 20 angebunden ist. Alternativ kann die Anbindung des Stellgliedes 67 wahlweise auch statt am Fahrzeugaufbau 20 an der Kugelpfanne 52 erfolgen. Das Stellglied 67 ist zusammen mit einem Regler 69 und einem Weg- und/oder Kraftaufnehmer 71 im Regelkreis R eingebunden.
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Das Stellglied 67 ist hier beispielhaft ein hydraulisch oder elektrisch arbeitender Aktuator, der in Signalverbindung mit dem Regler 69 ist. Gleichermaßen ist der Regler 69 zur Istwerterfassung in Signalverbindung mit dem Kraft- und/oder Wegaufnehmer 71, der gemäß der 2 an dem unteren, quer verschieblich gelagerten Kugelpfannenelement 59 angelenkt ist. Der Kraft- und/oder Wegaufnehmer 71 erfasst somit zum Beispiel einen Stellweg, der mit einer Querkraftbelastung MD korreliert. Die so erfasste Querkraftbelastung bildet die Eingangsgröße für den Regler 69. Dieser ermittelt aufgrund eines Ist- und Sollwertvergleiches ein Stellsignal, mit dem das Stellglied 67 angesteuert wird. Das Stellglied 67 ist wiederum kraftübertragend mit einer am Außenrand des Kugelkopfes 43 ausgebildeten Lagerkonsole 73 verbunden. Dadurch können nach Vorgabe des Reglers 69 Stellkräfte in den Kugelkopf 43 eingeleitet werden, wodurch das Gegenmoment MK erzeugt wird, mit dem die Querkraftbelastung zumindest teilweise kompensierbar ist.
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In der 3 weist die Durchführungsöffnung 63 des Kugelkopfes 43 zusätzlich eine Führungsbuchse 75 auf, die mit der Kolbenstange 38 in Gleitkontakt ist. Mittels der Führungsbuchse 75 wird ein Kräftepfad bereitgestellt, über den das Gegenmoment MK unmittelbar in die Kolbenstange 38 eingeleitet wird, und zwar unter Überbrückung des Dämpferlagers 22. Dadurch bleibt die Gummilagerkennung für die Dämpferankopplung an den Fahrzeugaufbau 20 erhalten und wird das Dämpferlager 20 nicht durch das Gegenmoment MK vorgespannt.
