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Die Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung, insbesondere einen Stabilisator, für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Eine solche Stellvorrichtung kann als Stabilisator ausgeführt sein, mit dem ein Wanken kompensierbar ist. Alternativ kann eine solche Stellvorrichtung zwei, mit Bezug auf die Fahrzeuglängsachse spiegelbildlich angeordnete, voneinander funktionell entkoppelte Drehstabfedern aufweisen, die mit einem Stellmittel auf Torsion beanspruchbar sind. Auf diese Weise wird eine Stellkraft erzeugt, die auf die Radführungselemente der Radaufhängung wirkt. Mit den beiden, spiegelbildlich angeordneten Drehstabfedern können durch geeignete Ansteuerung der beiden Drehstabfedern die Federraten sowie die Fahreigenschaften von Kraftfahrzeugen beeinflusst werden. So kann durch gegensinniges Verstellen der Drehstabfedern das Wankverhalten verbessert beziehungsweise die Kurvenneigung des Kraftfahrzeuges verringert oder durch gleichsinniges Verstellen eine Nickneigung zum Beispiel beim Bremsen entgegengewirkt werden.
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Aus der
DE 10 2009 052 877 A1 ist eine Stellvorrichtung bekannt, bei der das Stellmittel der Drehstabfeder eine elektrisch betätigbare Motor-/Getriebeeinheit ist. Durch Ansteuerung der Motor-/Getriebeeinheit können über die Drehstabfeder sowie einen Abtriebshebel Stellkräfte auf das jeweilige Radführungselement der Radaufhängung einwirken, um eine Höhenverstellung des Fahrzeugaufbaus vorzunehmen. Die Unterbringung des Elektromotors und des Übersetzungsgetriebes kann jedoch zu Einbauproblemen führen und zum Beispiel eine verminderte Bodenfreiheit des Kraftfahrzeuges verursachen. Generell ergibt die bauraumintensive Motor-/Getriebeeinheit im Bereich der Radaufhängung Package-Probleme.
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Aus der
EP 1 153 774 A2 ist eine Radaufhängung bekannt, die Komponenten aus einem Formgedächtnis-Metall aufweist. Mit Hilfe der Formgedächtnis-Komponente kann die kinematische Eigenschaft eines Fahrzeugrades mit Bezug auf den Fahrzeugaufbau eingestellt werden. Die Formgedächtnis-Komponente ist in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur verstellbar. Aus der
DE 103 52 338 A1 ist ein Fahrzeugteil mit einem Aktuator bekannt. Der Aktuator ist unter Verwendung von Nanostrukturteilchen ausgebildet.
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Aus der
DE 10 2007 063 536 A1 ist eine gattungsgemäße Stellvorrichtung mit einer Drehstabfeder bekannt, die mit einem, bei Bestromung kontrahierbaren oder streckbaren Material kraftübertragend verbunden ist. Gleiches trifft auch auf die
DE 10 2011 107 143 A1 und auf die
JP 10 305 720 A zu. Aus der
DE 10 2007 063 536 A1 ist eine weitere Aktoreinrichtung bekannt, die zumindest eine Kohlenstoffnanoröhre aufweist. Aus der
DE 10 2008 013 155 A1 ist ein verstellbarer Radträger mit einem Aktuator bekannt, der ebenfalls Kohlenstoffnanoröhrchen umfasst. Aus der
US 2006 / 0 125 291 A1 ist ebenfalls ein Aktor bekannt, der ein elektrisch aktives Material aufweist. Aus der
DE 10 2010 042 222 A1 ist ein nachveröffentlichter Stand der Technik bekannt, bei dem eine Stellvorrichtung einen Federstab aufweist. Der Federstab ist durch eine hohlzylindrische Hauptfeder aufgebaut, die als eine Torsionsfeder wirkt. Der von der Hauptfeder begrenzte Innenraum ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung einer Stabilisationsfeder, die sich zwischen den Längslenkern einer Radaufhängung erstreckt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine hinsichtlich der Anordnung im Kraftfahrzeug baulich und räumlich günstige Stellvorrichtung für eine Höhenverstellanordnung eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass der Einsatz eines Elektromotors sowie eines Übersetzungsgetriebes bei der Stellvorrichtung sowohl bauraumaufwändig als auch gewichtsintensiv ist. Vor diesem Hintergrund wird auf eine solche an sich bekannte Motor-/Getriebeeinheit verzichtet und ist anstelle dessen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das zur Torsion der Drehstabfeder erforderliche Stellmittel durch ein elektrisch aktives Material ausgebildet, das bei Bestromung kontrahiert oder sich streckt. Für eine verlustfreie Kraftübertragung kann das elektrisch aktive Material unmittelbar mit der Drehstabfeder verbunden sein. Auf diese Weise kann über die gesamte wirksame Federlänge der Drehstabfeder eine im Wesentlichen gleichmäßige und daher materialschonende Krafteinleitung erfolgen. Im Unterschied dazu erfolgt bei Verwendung einer herkömmlichen Motor-/Getriebeeinheit die Krafteinleitung nicht gleichmäßig verteilt über die wirksame Federlänge der Drehstabfeder, sondern an einem Ende der Drehstabfeder.
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Im Falle eines in der Fahrzeugquerrichtung durchgängigen Stabilisatorstabes kann daher gegen die Grundsteifigkeit des Stabes eine zusätzliche Kraft aufgebracht werden, um den Stab zu tordieren.
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Das elektrisch aktive Material kann beispielhaft Nanostrukturteilchen aufweisen, etwa Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen. Diese können zumindest teilweise als Nanotubes ausgeführt sein. Alternativ und/oder zusätzlich können die Nanostrukturteilchen in Mikro- beziehungsweise Nanofolien integriert sein. Derartige Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen weisen eine äußerst große mechanische Stabilität bei einem Bruchteil der Dichte von Stahl auf, der üblicherweise als Werkstoff für die Drehstabfedern verwendet wird. Damit sind die Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen für die Anwendung in mechanischen Bauteilen insbesondere auch im Hinblick auf Leichtbauanwendung geeignet. Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen haben die besondere Eigenschaft, bei Aufnahme oder Abgabe elektrischer Ladungsträger ihre räumliche Abmessung zu ändern, das heißt sie können bei Bestromung kontrahieren oder sich strecken.
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Gemäß einer vorteilhaften technischen Ausführung kann das elektrisch aktive Material bündelweise, insbesondere schraubenlinienförmig, um die Drehstabfeder gewickelt sein. Das aktive Materialbündel kann entlang der gesamten wirksamen Federlänge die Drehstabfeder auf Torsion beanspruchen. Die wirksame Federlänge der Drehstabfeder entspricht der Länge eines Lastpfades, der sich von dem drehfest am Fahrzeugaufbau gelagerten Ende der Drehstabfeder bis zum abtriebsseitigen Ende der Drehstabfeder erstreckt. Die Drehstabfeder kann bevorzugt an einem Ende drehfest mit dem Fahrzeugaufbau verbunden sein. Am anderen, abtriebsseitigen Ende kann die Drehstabfeder mit Bezug auf das drehfeste Ende drehbar gelagert sein. Im Bereich des abtriebsseitigen Endes kann die Drehstabfeder über einen Abtriebshebel kraftübertragend mit dem Radführungselement der Radaufhängung verbunden sein.
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Das elektrisch aktive Material weist erfindungsgemäß erste Faserbündel und zweite Faserbündel auf. Die ersten und zweiten Faserbündel sind zueinander gegensinnig jeweils schraubenlinienförmig um die Drehstabfeder gewickelt. Die ersten und zweiten Faserbündel können dabei mit einem Winkelversatz von zum Beispiel 90° zu einem Kreuzgeflecht gewebt sein. Im nicht bestromten Zustand kann die Drehstabfeder eine neutrale Position einnehmen. In Abhängigkeit von der erforderlichen Torsionsrichtung kann das erste und/oder das zweite Faserbündel mittels einer Steuereinheit bestromt werden.
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In einer ersten Variante können die ersten und/oder die zweiten Materialbündel schichtweise übereinander in einer Lamellenstruktur auf die Drehstabfeder aufgebracht sein. In einer technisch einfacheren Variante kann das erste Materialbündel und das zweite Materialbündel in einer Kraftflussrichtung hintereinander in Reihe in der Drehstabfeder angeordnet sein. Die ersten und zweiten Materialbündel sind somit funktionell sowie lagemäßig voneinander entkoppelt an der Drehstabfeder angebracht.
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Die Drehstabfeder ist als hochbelastetes Bauteil mit vorgegebenen Materialstärken auszulegen, um die hohen Drehmomente bei der Bestromung des aktiven Material zu übertragen. Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Drehstabfeder ein Trägermaterial aufweisen, in dem das elektrisch aktive Material form- und kraftschlüssig eingebettet ist. Beispielhaft kann die Drehstabfeder durch ein Trägerlaminat ausgebildet sein, in dem das aktive Material integriert ist.
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Die Drehstabfeder ist erfindungsgemäß ein Hohlwellen-Federstab. Um die erforderliche Bauteilsteifigkeit bei der Torsionsbelastung zu gewährleisten, ist durch den Hohlwellen-Federstab ein zusätzlicher Führungsstab geführt, auf dem beispielsweise in Gleitlagerung der radial äußere Hohlwellen-Federstab sitzt. Auf diese Weise ist der Hohlwellen-Federstab gegen ein Ausknicken oder dergleichen geschützt.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Drehstabfeder verschachtelt mit einem radial inneren Federstab und einem radial äußeren Hohlwellen-Federstab ausgeführt sein. Der innere Federstab sowie der radial äußere Hohlwellen-Federstab sind an einem Ende kraftschlüssig, beispielsweise über eine Kerbverzahnung, miteinander verbunden. Besonders bevorzugt kann dabei das erste Materialbündel im radial inneren Federstab integriert sein, während das zweite Materialbündel davon unabhängig im radial äußeren Hohlwellen-Federstab integriert ist. Die ersten und zweiten Materialbündel können in diesem Fall unabhängig voneinander beispielsweise mit Niedervoltspannung angesteuert werden, um die Drehstabfeder in vorgegebener Weise mit Torsion zu beanspruchen.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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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:
- 1 in einer Prinzipdarstellung einen Stabilisator gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine Ansicht einer Drehstabfeder an einer vorderen linken Radaufhängung gemäß einem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel;
- 3 und 4 jeweils Ansichten von Ausführungsbeispielen; und
- 5 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene I-I aus der 4.
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In der 1 ist grob schematisch in einer Draufsicht ein U-förmiger Stabilisator gezeigt, der sich funktionell aus einem Querstab 21 (in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen allgemein als Drehstabfeder bezeichnet) und zwei etwa in Fahrzeuglängsrichtung abragenden Stabilisatorarmen 22 zusammensetzt. Der Querstab 21 ist beidseitig nahe der Stabilisatorarme am Unterboden der Karosserie des Kraftfahrzeuges oder an einem Hilfsrahmen über Lagerstellen 22 drehbar gelagert. Die Stabilisatorarme sind in bekannter Weise an nicht dargestellten Radaufhängungselementen des Kraftfahrzeuges angelenkt.
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Im Querstab 21 des Stabilisators ist als elektrisch betätigbares Stellmittel 29 ein elektrisch aktives Material integriert. Das elektrisch aktive Material ist in der 1 schraubenlinienförmig um den Querstab 21 gewickelt. Das Material 29 kann beispielhaft aus Kohlenstoff-Nanotubes aufgebaut sein. In der 1 erstreckt sich das elektrisch aktive Material 29 über die gesamte Länge des Querstabs bis nahe an die Stabilisatorarme. Das elektrisch aktive Material 29 ist in elektrischer Signalverbindung mit einer nur angedeuteten Steuereinheit 31, mit der das elektrisch aktive Material 29 mit einer Niedervoltspannung beaufschlagbar ist. Bei elektrischer Betätigung wird das aktive Material 29 kontrahiert, das heißt zusammengezogen. Dadurch wird der Querstab 21 gegen seine Grundsteifigkeit torsionsbeansprucht, und zwar unter Aufbau einer Stellkraft Fs, die über die Stabilisatorarme auf die Radaufhängungen einwirkt, um das Wankverhalten des Fahrzeuges zu verbessern.
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In der 2 ist grob schematisch eine vordere Radaufhängung für das linke Vorderrad 1 eines Kraftfahrzeuges gezeigt, die nicht von der Erfindung umfasst ist. Das Vorderrad 1 ist an einem Radträger 3 drehbar gelagert, der über einen vorderen und einen hinteren Querlenker 5, 7 aufbauseitig an einem Hilfsrahmen 9 angelenkt ist. Die Querlenker 5, 7 sind jeweils über Schwenklager 11 radseitig sowie aufbauseitig angebunden. Der Hilfsrahmen 9 weist zwei seitliche Längsträger 13 sowie zwei Querträger 15 auf und ist in nicht dargestellter Weise am Fahrzeugaufbau befestigt. Die in der 2 gezeigte Anordnung ist lediglich bis zur Fahrzeugmittelebene 17 dargestellt. Die rechte, hier nicht gezeigte Seite der Radaufhängung ist spiegelbildlich ausgeführt. Weitere Bauelemente der Radaufhängung, wie etwa oberer Querlenker, Stoßdämpfer und Tragfeder sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Wie aus der 2 weiter hervorgeht, ist am vorderen Querträger 15 des Hilfsrahmens 9 eine Drehstabfeder 21 angeordnet, die Bestandteil einer Höhenverstellvorrichtung zur Höhenverstellung des Kraftfahrzeuges ist. Die Drehstabfeder 21 weist gemäß der 2 einen aus Vollmaterial gebildeten Torsionsstab 23 auf. Dieser ist an seinem, der Fahrzeugmittelebene 17 zugewandten Ende in einem Festlager 25 drehfest am Hilfsrahmen 9 angebunden. An seinem, in der Fahrzeugquerrichtung y gegenüberliegenden, abtriebsseitigen Ende 26 ist ein Abtriebshebel 27 drehfest gelagert, der über einen Anlenkpunkt 28 mit Koppelstange am unteren Querlenker 5 angelenkt ist. Der Torsionsstab 23 ist außerdem durch ein ebenfalls am Hilfsrahmen 9 befestigtes Gleitlager 24 geführt.
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Wie bereits anhand der 1 erläutert, ist auch in der 2 in der Drehstabfeder 21 ein elektrisch aktives Material integriert. Das elektrisch aktive Material ist in der 2 schraubenlinienförmig um den Torsionsstab 23 gewickelt. Das Material 29 kann beispielhaft aus Kohlenstoff-Nanotubes aufgebaut sein und sich in der Fahrzeugquerrichtung y über die gesamte wirksame Federlänge I erstrecken, die von dem Festlager 25 bis zur Anbindungsstelle 26 des Abtriebshebels 27 reicht. Das elektrisch aktive Material 29 ist ebenfalls in elektrischer Signalverbindung mit der Steuereinheit 31, mit der das elektrisch aktive Material 29 mit einer Niedervoltspannung beaufschlagbar ist. Bei elektrischer Betätigung wird das aktive Material 29 kontrahiert, das heißt zusammengezogen. Dadurch wird der Torsionsstab 23 über seine Federlänge l mit Torsion beansprucht, und zwar unter Aufbau einer Stellkraft FS , die über dem Abtriebshebel 27 auf den vorderen Querlenker 5 einwirkt.
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Im Unterschied zu einem, herkömmlicherweise aus Stahl hergestellten Torsionsstab ist der in der 1 gezeigte Torsionsstab 23 aus zum Beispiel einem Harz gegossen, das als Trägermaterial für die Kohlenstoff-Nanotubes dient. Diese sind im Trägermaterial des Torsionsstabes 23 eingebettet. Derselbe Materialaufbau kann auch für den in der 1 gezeigten Stabilisator verwendet werden.
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In der 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei der der Torsionsstab 23 der Drehstabfeder 21 kein Vollmaterialstab ist, sondern vielmehr eine Hohlwelle. Der in der 3 gezeigte Torsionsstab 23 kann ebenfalls beispielsweise aus einem Harz gegossen sein, in dem das elektrisch aktive Material 29 integriert ist. Um die hohen Torsionsbelastungen standhalten zu können, ist durch den Torsionsstab 23 ein zusätzlicher Stützstab 33 geführt, auf dem der Torsionsstab 23 gleitend gelagert ist. Auf diese Weise kann das in der 2 gezeigte Gleitlager 24 eingespart werden. Der Stützstab 33 ist drehfest zum Beispiel Hilfsrahmen angeordnet.
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In der 3 ist im Unterschied zur 2 nicht nur ein Faserbündel um die Drehstabfeder 21 gewickelt, sondern ist vielmehr neben dem ersten Faserbündel 39 auch ein zweites Faserbündel 41 vorgesehen, das gegensinnig zum ersten Faserbündel 39 gewickelt ist. Beispielhaft können die beiden Faserbündel 39, 41 in einem Kreuzgeflecht um 90° versetzt zueinander um die Drehstabfeder 21 gewickelt sein. Alternativ dazu können die beiden Faserbündeln 39, 41 schichtweise übereinander in einer Lamellenstruktur auf der Drehstabfeder 21 aufgebracht sein.
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Im Vergleich zu den 2 und 3 ist in der 4 die wirksame Federlänge l der Drehstabfeder 21 verlängert. Hierzu weist die Drehstabfeder 21 einen radial inneren Vollstab 35 sowie einen radial äußeren Hohlstab 37 auf, die zueinander verschachtelt angeordnet sind. Die Federlänge setzt sich somit aus den Teilfederlängen l1 , l2 des Hohlstabs 37 und des Vollstabs 35 zusammen. Der radial äußere Hohlstab 37 ist an seinem, in der 4 linken Ende über ein Festlager 25 am Hilfsrahmen 5 drehfest angebunden. An seinem, in der Querrichtung y gegenüberliegenden Ende ist der Hohlstab 37 über eine Kerbverzahnung kraftübertragend mit dem radial inneren Vollstab 35 verbunden. Der radial innere Vollstab 35 ist mit seinem abtriebsseitigen Ende, das über den Abtriebshebel 27 mit dem Querlenker 5 wirkverbunden ist, aus dem Hohlwellen-Federstab 37 herausgeführt.
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Wie bereits anhand der 3 beschrieben, weist auch die Drehstabfeder 21 der 4 ein erstes Faserbündel 39 und ein zweites Faserbündel 41 auf, die zueinander gegensinnig gewickelt sind. Die beiden Faserbündel 39, 41 sind jedoch nicht in einem Kreuzgewebe oder schichtweise übereinander in einer Lamellenstruktur auf einem gemeinsamen Torsionsstab aufgebracht, sondern vielmehr in der Kraftflussrichtung hintereinander in Reihe angeordnet. So ist das erste Faserbündel 39 in einer ersten Wickelrichtung um den inneren Vollstab 35 gewickelt, während das zweite Faserbündel 41 gegensinnig dazu um den radial äußeren Hohlwellen-Federstab 37 gewickelt ist. Je nach erforderlicher Torsionsrichtung kann somit das erste Faserbündel 39 oder das zweite Faserbündel 41 bestromt werden.
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In der 5 ist die Drehstabfeder 21 aus der 4 im Querschnitt gezeigt. Demzufolge ist der radial äußere Hohlwellen-Federstab 37 aus einem Trägermaterial, etwa aus Harz, hergestellt, in dem die ersten Faserbündel 39 eingebettet sind. Der radial innere Vollstab 35 ist ebenfalls aus einem Trägermaterial hergestellt, in dem die oben genannten zweiten Faserbündeln 41 eingebettet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorderrad
- 3
- Radträger
- 5,7
- Radführungselemente
- 11
- Schwenklager
- 13
- Längsträger
- 15
- Querträger
- 17
- Längsmittelebene
- 21
- Drehstabfeder
- 23
- Federstab
- 25
- drehfestes Ende
- 26
- abtriebsseitiges Ende
- 27
- Abtriebshebel
- 28
- Anlenkpunkt
- 29
- Stellmittel
- 31
- Steuereinheit
- 33, 35
- Führungsstab
- 37
- Federstab
- 39
- erstes Faserbündel
- 41
- zweites Faserbündel
- FS
- Stell kraft
- l
- Federlänge
