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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Federvorrichtung für eine aktive Radaufhängung von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine gattungsgemäße Federvorrichtung ist aus der
DE 10 2008 063 499 A1 bekannt, bei der eine tragende Hauptfeder und eine seriell geschaltete Speicherfeder über eine schwenkbare Wippe zusammenwirken. Mittels der Speicherfeder kann über eine elektromotorische Stelleinheit aktiv die Gesamt-Federrate so verändert werden, dass ein Niveauausgleich der Karosserie steuerbar ist, sowie Wank- und Nickbewegungen entgegengewirkt werden kann. Die als Schraubendruckfeder ausgebildete Speicherfeder wird dabei über einen Kugelgewindetrieb und einen Elektromotor in ihrer Vorspannung entsprechend verstellt.
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Aus der
DE 10 2009 005 899 A1 ist eine weitere Antriebsverbindung bekannt, die bei einem Hinterachssteller eines Fahrzeugs angewendet wird. Pro Rad können mit diesem Steller, der fest mit dem Hilfsrahmen verschraubt ist, aktiv Kräfte gestellt werden. Der Aktuator besitzt ein geschachteltes Drehfedersystem, in dem Federarbeit gespeichert und wieder abgegeben werden kann. So wird Federarbeit im Wechselspiel der Ein- und Ausfederbewegung des Rades aufgenommen, respektive abgegeben. Gleichzeitig ist es möglich, mittels eines Antriebes Momente zu überlagern, sprich die Drehfedern – je nach Erfordernis – aufzuziehen oder zu entspannen. Durch das Vorhandensein der Hauptfeder müssen mit diesem Steller nur anteilig Stellkräfte zur Radlaständerung gestellt werden. Es findet ständig eine Überlagerung der Federkräfte aus Hauptfeder und Drehfeder statt, je nach dem wie die Fahrsituation dies erfordert und die Steuerung dies vorgibt. Am Ausgang des Drehfedersystems befindet sich eine Schwinge, an deren Ende eine Koppel angelenkt ist. Die Koppel verbindet die Schwinge mit dem Trapezlenker, welcher mit dem Rad verbunden ist. Somit können die im Steller erzeugten Drehmomente über den Lastpfad Motor/Getriebe/Drehfeder/Schwinge/Koppel/Trapezlenker/Rad letztlich als lineare Stellkräfte auf das Rad übertragen werden. Das Drehfedersystem selbst ist, wie bereits erwähnt, „geschachtelt”, und besteht im Wesentlichen aus einer in Reihe geschalteten Rohrfeder und einem mit ihr formschlüssig oder stoffschlüssig verbundenen Vollstab im Inneren der Rohrfeder. Am Getriebeausgang angeschlossen ist zunächst eine Rohrfeder. Am Ende der Rohrfeder schließt ein Vollstab an, der jedoch innerhalb der Rohrfeder wieder zurückkehrt, den Steller durchquert und bis auf die gegenüberliegende Seite des Stellers reicht. Dort ist die Verbindungsstelle zur Drehschwinge.
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In der
DE 10 2009 005 899 A1 wird das Drehmoment, welches zur Verspannung des Drehfedersystems erforderlich ist, mittels eines Elektromotors erzeugt. Da der Motor, physikalisch bedingt, sehr hoch dreht, die erforderlichen Momente andererseits sehr hoch sind, versteht es sich von selbst, dass eine sehr große Getriebeübersetzung erforderlich ist, und zwar bei möglichst geringem Platzbedarf. Eine naheliegende Lösung für diese Randbedingung ist der Einsatz eines sogenannten Harmonic-Drive-Getriebes.
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Bei dieser Lösungsvariante sind jedoch die folgenden Nachteile in Kauf zu nehmen. Diese betreffen zunächst einmal das Getriebe selbst, nämlich: geringe Überdeckung mit damit verbundenen sehr großen Zahnbelastungen sowie Gefahr des Überspringens der Zähne; Flexspline muss elastisch verformt werden, wodurch sich ein schlechter Wirkungsgrad, eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Schockbelastung, erhebliche Laufgeräusche sowie ein relativ hoher Preis (Kernbauteil Flexspline aufwendig in der Herstellung) ergeben.
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Desweiteren ist hinsichtlich Package, das heißt räumlicher Anordnung, in diesem Fall nur eine fest vorgegebene Lage des Stellers im Fahrzeug möglich. Das heißt, die Zentralachse des Stellers muss im Wesentlichen horizontal und in Fahrzeugquerrichtung etwa parallel liegen, um die Stellbewegung auf den Trapezlenker ordnungsgemäß übertragen zu können.
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Müsste nun der Drehsteller – aus Platzgründen – stehend, also mit vertikaler Zentralachse verbaut werden, ist eine Weitergabe der Stellbewegung auf den Trapezlenker nicht mehr möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Federvorrichtung bereitzustellen, die unter Verwendung ebenfalls einer Wippe baulich und fertigungstechnisch einfacher ausgeführt ist.
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Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird eine Wippe vorgesehen, die zugleich als eine die Speicherfeder bildende Blattfeder ausgeführt ist, deren freies Ende mit der Stelleinheit verbunden ist. Damit erfüllt in äußerst einfacher, baulich günstiger Weise die Wippe zwei Funktionen, nämlich zum einen die Bewegungsübertragung der Federbewegungen der Radaufhängung im Fahrbetrieb und zum anderen die Speicherfederfunktion. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Blattfeder zudem über einen Mitnehmer in einen eine Schrauben-Nut aufweisenden Zylinder eines Zylinderkurvengetriebes einragen, wobei der Zylinder senkrecht zur Schwenkachse der Blattfeder drehbar und über einen Elektromotor verstellbar am Aufbau angeordnet ist. Daraus resultiert eine besonders robuste, fertigungstechnisch einfache Stelleinheit, die gegen Stoßbelastungen unempfindlich und präzise steuerbar ist.
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Erfindungsgemäß werden somit zwei Maßnahmen vorgeschlagen, um die oben in der Beschreibungseinleitung genannten Nachteile zu beseitigen: Erstens entfällt das Harmonic-Drive-Getriebe. Dieses wird ersetzt durch ein Zylinderkurvengetriebe. Dadurch entfallen auch die oben genannten Mängel, was dieses Getriebe betrifft. Das Zylinderkurvengetriebe hat stets volle Überdeckung, und zeichnet sich zudem durch hohe Laufruhe aus.
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Zweitens entfällt das geschachtelte Drehfedersystem. Dieses wird ersetzt durch einen als Blattfeder ausgebildeten Umlenkhebel (Wippe mit Drehpunkt). Das hat den Vorteil, dass der Steller nun aufgrund der fehlenden Torsionsfedern gedrungener, somit kürzer bauen kann. Das heißt, Bau-Länge kann eingespart werden. Daneben bietet sich die Möglichkeit, dem Umlenkhebel noch eine zusätzliche Übersetzung zuzuweisen, je nachdem, wo der Wippendrehpunkt in seiner Längsausdehnung angeordnet wird.
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Durch das Zusammenwirken eines vergleichsweise flachen Kurvenanstieges des Zylinderkurvengetriebes einerseits, sowie der zusätzlichen Hebelübersetzung des Umlenkhebels andererseits, erreicht man in Summe ein ebenso gutes, identisches Übersetzungsverhältnis, wie bei Verwendung eines Harmonic-Drive-Getriebes. Das verhältnismäßig teure Getriebe im Inneren des Stellers – gemäß dem Stand der Technik – kann somit entfallen. Bislang resultierte die Gesamtübersetzung lediglich aus der Übersetzung des Harmonic-Drive, die Drehschwinge hatte nur eine einfache Übersetzung, welche sich allein aus ihrer Länge ergab. Nun ist es durch gezielte Anordnung des Drehpunktes des als Blattfeder ausgebildeten Umlenkhebels (Wippe) möglich, eine zusätzliche Übersetzung zu erreichen.
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Weiterhin lässt sich der Steller nun durch diese Umgestaltung mit einer senkrecht im Fahrzeug liegenden Zentralachse verbauen. Auch dieses Problem, nämlich die Notwendigkeit den Drehsteller abweichend gegenüber dem Stand der Technik anordnen zu müssen, ist damit gelöst.
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Nachfolgend sind die Merkmale der Erfindung nochmals im Einzelnen aufgeführt:
So kann die Wippe auf der einen Seite dessen Schwenklagers als Blattfeder und auf der anderen Seite als fester Stellarm ausgeführt sein, wobei die Länge der Blattfeder auf das 3-fache oder mehr der Länge des Stellarms ausgelegt ist, um eine ausreichende Federfunktion über den durch die Übersetzungsverhältnisse vorgegebenen Schwenkweg bereitzustellen. Das Schwenklager kann dabei bevorzugt als Gummi-Metall-Hülsenlager mit relativ großer Basisbreite ausgebildet sein und in sich zusätzlich als Federelement und/oder Dämpfungselement wirken. Ferner kann die Blattfeder als Bauteil gleicher Biegespannung gewichtsgünstig mit zu deren Ende hin sich verjüngendem Querschnitt hergestellt sein.
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In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Elektromotor innerhalb des Zylinders des Zylinderkurvengetriebes angeordnet sein, wodurch günstige Einbaumaße und Anordnungsmöglichkeiten der Stelleinheit am Aufbau des Kraftfahrzeugs oder an einem Hilfsrahmen erzielbar sind.
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Dabei kann bevorzugt das Gehäuse des Elektromotors über zumindest einen Befestigungsflansch am Aufbau des Kraftfahrzeugs befestigbar und der Zylinder des Zylinderkurvengetriebes über Wälzlager auf dem Gehäuse drehbar gelagert sein. Des Weiteren kann der Elektromotor ohne Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes den Zylinder des Zylinderkurvengetriebes antreiben, so dass eine sehr direkte, präzise und reibungsarme Verstellbarkeit gegeben ist.
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Dazu wird ferner vorgeschlagen, dass der Steigungswinkel der Schrauben-Nut des Zylinders gegenüber einer Senkrechten durch dessen Drehachse < 10°, insbesondere 3° bis 7° beträgt, wodurch aus den Federkräften der Blattfeder nur geringe Rückstellmomente auf den Elektromotor wirken, die gegebenenfalls über eine integrierte Bremse abzustützen wären.
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Der Mitnehmer der Wippe kann zur Erzielung einer reibungsarmen Übertragung der Federkräfte über eine wälzgelagerte Rolle in die Schrauben-Nut eingreifen.
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Zur Abkapselung der Stelleinheit gegen schädliche Umwelteinflüsse wird ferner vorgeschlagen, die Stelleinheit mit dem Zylinderkurvengetriebe und dem Elektromotor in einem Gehäuse anzuordnen, das einen zur Schwenkbewegung der Wippe komplementären Führungsschlitz aufweist, in den der Mitnehmer beispielsweise durch einen Faltenbalg entsprechend abgedichtet geführt ist.
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Die Wippe kann zudem zum Ausgleich der Schwenkbewegung des Stellarms und/oder zur Anpassung an bauliche Gegebenheiten über eine nach oben oder unten abragende Koppelstange gelenkig mit dem Radaufhängungselement verbunden sein.
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Zur Anpassung an bauliche Gegebenheiten zum Beispiel an einer Vorderachse oder an einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs wird schließlich vorgeschlagen, dass die Wippe in Fahrzeuglängsrichtung oder quer dazu ausgerichtet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben. Die schematische Zeichnung zeigt in:
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1 in raumbildlicher Darstellung die an ein Radaufhängungselement einer Radaufhängung für Kraftfahrzeuge angeschlossene Speicherfeder, die über ein Zylinderkurvengetriebe in ihrer Vorspannung verstellbar ist;
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2 die Speicherfeder mit Zylinderkurvengetriebe in einer Seitenansicht;
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3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der 2 durch das Zylinderkurvengetriebe mit antreibenden Elektromotor; und
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4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV der 1 durch das Schwenklager der die Speicherfeder bildenden Wippe.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung die Federvorrichtung 10 für eine Radaufhängung von Kraftfahrzeugen, die sich aus einer tragenden Hauptfeder (nicht dargestellt, zum Beispiel einer Schraubendruckfeder gegebenenfalls in Kombination mit einem Teleskop-Federbein) und einer in seiner Vorspannung über eine elektromotorische Stelleinheit 12 veränderbaren Speicherfeder 16 zusammensetzt.
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Die Speicherfeder ist durch eine über ein Schwenklager 14 aufbaufest gelagerte Wippe 16 gebildet, die sich aus einem biegesteifen Stellarm 16a und einer Blattfeder 16b zusammensetzt.
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Der Stellarm 16a ist über ein Gelenk 18 mit einer etwa senkrecht dazu ausgerichteten Koppelstange 20 und diese über ein weiteres Gelenk 18 mit einem nicht dargestellten Radführungselement, zum Beispiel einem Querlenker oder einem Radträger, der Radaufhängung verbunden.
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Die andererseits an das Schwenklager 14 anschließende Blattfeder 16b greift an ihrem freien Ende über einen Mitnehmer 22 in eine Schrauben-Nut 24a eines Zylinders 24 ein und bildet mit diesem ein Zylinderkurvengetriebe, mittels dem die Speicherfeder bzw. Blattfeder 16b mehr oder weniger in ihrer Vorspannung veränderbar und über den Stellarm 16a der nicht dargestellten Hauptfeder überlagerbar ist.
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Der Zylinder 24 mit der Schrauben-Nut 24a (3) ist als Hohlkörper hergestellt, innerhalb dessen der den Zylinder 24 um eine gemeinsame Drehachse 26 antreibende Elektromotor 28 angeordnet ist. Der Elektromotor 28 treibt über seine Antriebswelle 28a und einen Antriebsflansch 28b unmittelbar den Zylinder 24 an, während das Gehäuse des Elektromotors 28 mittels eines angeformten Befestigungsflansches 28c über nicht näher dargestellte Schraubverbindungen fest mit dem Aufbau des Kraftfahrzeugs oder einem Hilfsrahmen verbunden ist.
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Der Zylinder 24 ist über zwei axial beabstandete Wälzlager 30 auf dem Gehäuse des Elektromotors 28 drehbar gelagert. Die Drehachse 26 des Zylinders 24 liegt, wie ersichtlich ist, senkrecht zur horizontal ausgerichteten Schwenkachse 32 des Schwenklagers 14 der Wippe 16 und zudem derart seitlich versetzt zur Längsachse der Wippe 16, dass der Mitnehmer 22 den Außenumfang des Zylinders 24 wie dargestellt abgreift.
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Der radial nach innen in die Schrauben-Nut 24a eingreifende Mitnehmer 22 (3) weist einen Führungsstift 22a auf, auf dem über ein Wälzlager bzw. Nadellager 34 eine Rolle 36 gelagert ist, die unmittelbar mit der Schrauben-Nut 24a zusammenwirkt bzw. in dieser bei einer Verdrehung des Zylinders 24 bei entsprechender Höhenverstellung abrollen kann. Der Steigungswinkel der Schrauben-Nut 24a gegenüber einer Senkrechten durch die Drehachse 26 ist kleiner als 10°, beispielsweise 5°.
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Das Übersetzungsverhältnis der Wippe 16 ist so ausgelegt, dass die Länge der Blattfeder 16b (2) zumindest das Dreifache der Länge des Stellarms 16a beträgt. Ferner ist die Blattfeder 16b aus einem Federstahl als Bauteil gleicher Biegespannung ausgeführt, mit sich zu deren freiem Ende hin verjüngender Querschnittsfläche (vergleiche 1).
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Das eine relativ große Basisbreite aufweisende Schwenklager 14 (4) ist zudem als ein an sich bekanntes Gummimetall-Hülsenlager ausgeführt, mit einem radial äußeren Lagerauge 16c, einer inneren Lagerbüchse 14a und einer dazwischen einvulkanisierten, gummielastischen Büchse 14b, wobei die Lagerbüchse 14a auf einem nur angedeuteten Lagerbolzen 40 unverdrehbar befestigt ist.
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Um die Stelleinheit 12 mit dem Zylinderkurvengetriebe bzw. dem Zylinder 24 mit integriertem Elektromotor 28 und den Mitnehmer 22 ist ein topfförmiges, geschlossenes Gehäuse (nicht dargestellt) angeordnet, das im Schwenkbereich des Mitnehmers 22 einen Führungsschlitz mit äußeren Dichtlippen aufweist. Der Führungsschlitz ist dabei entsprechend dem Kurvenradius zwischen der Schwenkachse 32 und dem Mitnehmer 22 bogenförmig ausgeführt und dichtet die Stelleinheit 12 nach außen ab.
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Eine Verdrehung des Zylinders 24 bewirkt über die Schrauben-Nut 24a eine Höhenverstellung des Mitnehmers 22 bzw. ein Verschwenken der Wippe 16 mit einer entsprechenden, veränderlichen Vorspannung der Blattfeder 16b, die sich der nicht dargestellten Hauptfeder der Radaufhängung überlagert und somit eine Veränderung der Gesamtfederrate bewirkt.
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Der in der einen oder anderen Drehrichtung antreibende Elektromotor 28 kann in bekannter Weise über ein elektronisches Fahrstabilitätsprogramm gesteuert sein, über das die Niveaulage der Karosserie des Kraftfahrzeugs beeinflusst sowie nach fahrdynamischen Parametern deren Nickneigung und Wankneigung gezielt entgegengewirkt wird.
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Die in den 1 bis 4 dargestellte Speicherfeder bzw. Wippe 16 kann je nach den konstruktiven Gegebenheiten in Fahrzeuglängsrichtung oder in Fahrzeugquerrichtung ausgerichtet sein, wobei die Stelleinheit 12 dann entweder vor oder hinter der Radaufhängung (bei Längsausrichtung der Wippe 16) oder der senkrechten Fahrzeuglängsmitte zu (bei Queranordnung der Wippe 16) positioniert ist.
