DE102014204169A1

DE102014204169A1 - Radaufhängung für ein nabenloses Rad

Info

Publication number: DE102014204169A1
Application number: DE102014204169.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wolf
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-10
Also published as: WO2015132037A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit mindestens einem ersten Teil (103) eines Radträgers eines nabenloses Rads (101), mit mindestens einem Mittel (109, 111) zur Anbindung des ersten Teils (103) des Radträgers an eine Fahrzeugkarosserie. Das Mittel (109, 111) zur Anbindung des ersten Teils (103) des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie ist mit dem ersten Teil (103) des Radträgers einstückig verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere zur Radaufhängung, eines nabenlosen Rads nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Luftlager bekannt. Luftlager finden häufig Verwendung in Turboladern oder Werkzeugmaschinen.
Des Weiteren sind, etwa aus der US 2010/289362 A , Ultraschalllager bekannt.
Die Druckschriften WO 13004788 A1 und WO 12171782 A1 offenbaren Magnetlager.
Der Teil der Radaufhängung, der das Radlager aufnimmt, wird als Radträger bezeichnet (Heißing, Ersoy: Fahrwerkshandbuch, 2007). Das Radlager ist dabei in axialer Richtung zwischen dem Rad und dem Radträger angeordnet, sodass das Rad gegenüber dem Radträger um eine sogenannte Laufachse verdreht werden kann. Weiterhin ist der Radträger federnd mit einer Fahrzeugkarosserie verbunden.
Bei der beschriebenen Bauweise des Radträgers führen Lastpfade von einem Reifen über eine Felge, das Radlager, den Radträger und Fahrwerkskomponenten zur Fahrzeugkarosserie. Diese Lastpfade verlaufen nicht geradlinig, sondern weisen starke Umlenkungen auf. Die Folge sind hohe lokale mechanische Belastungen, insbesondere im Bereich des Radlager und des Radträgers.
Ein direkterer Verlauf des Lastpfades ist bei einem nabenlosen Rad möglich. Darüber hinaus scheinen nabenlose Räder auch unter Designaspekten erstrebenswert. Dies zeigt sich bei vielen Designstudien, die nabenlose Räder aufweisen.
Nabenlose Räder konnten bisher aber nur mittels in sich starrer Aufhängungskomponenten an die Fahrzeugkarosserie angebunden werden. Um Relativbewegungen zwischen dem Radträger und der Fahrzeugkarosserie zu ermöglichen, sind dabei Gelenke erforderlich. Derartige Lösungen stoßen unter Gesichtspunkten des Designs aber auf Ablehnung. Unter technischen Gesichtspunkten erhöht sich das Gewicht, werden zusätzliche Montageschritte erforderlich und verringert sich die Lebensdauer.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein nabenloses Rad unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile an eine Fahrzeugkarosserie anzubinden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens einen ersten Teil eines Radträgers eines nabenlosen Rads auf. Ein nabenloses Rad wird auch als Orbitalrad oder speichenloses Rad bezeichnet. Kennzeichnend für ein nabenloses Rad ist die Abwesenheit einer Nabe. Stattdessen umschließt das Rad eine durchgängige Aussparung. Insbesondere die Drehachse des Rads verläuft durch diese Aussparung. Vorzugsweise verläuft die Aussparung koaxial zu der Drehachse des Rads, d.h. die Symmetrieachse der Aussparung verläuft deckungsgleich zu der Drehachse des Rads. Insbesondere kann es sich um eine zylinderförmige Aussparung handeln.
Der Radträger weist mindestens zwei Teile auf. Ein erster Teil ist kann an die Fahrzeugkarosserie angebunden werden. Der erste Teil ist dazu ausgebildet, eine Felge und/oder einen Reifen aufzunehmen, d.h. drehfest mit der Felge und/oder dem Reifen verbunden zu werden. Auch kann der Erste Teil die Felge umfassen, mit dieser insbesondere einstückig verbunden sein.
Ein zweiter Teil des Radträgers ist um genau eine Drehachse, vorzugsweise um die Laufachse, drehbar in dem ersten Teil gelagert. Der erste Teil und der zweite Teil weisen dazu jeweils eine Lauffläche eines Lagers auf. Weiterhin umfasst der erste Teil die obengenannte Aussparung.
Die Vorrichtung weist mindestens ein Mittel zur Anbindung des ersten Teils an die Fahrzeugkarosserie auf. Dieses Mittel kann beispielsweise die Funktion eines Längslenkers, eines Querlenkers, eines Stabilsators, einer Feder und/oder eines Dämpfers erfüllen. Bei der Fahrzeugkarosserie kann es sich insbesondere um eine PKW Karosserie handeln. Das Rad bildet dabei mit einem weiteren Rad eine Achse, wobei die Räder auf gegenüberliegenden Karosserieseiten angeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist das Mittel zur Anbindung des ersten Teils an die Fahrzeugkarosserie mit dem ersten Teil einstückig verbunden. Das Mittel und der erste Teil bestehen also aus einem einzigen Stück.
Der Radträger kann einen dritten Teil aufweisen, der mit der ersten Teil lösbar verbunden werden kann und zusammen mit dem ersten Teil den zweiten Teil drehbar fixiert. Indem der dritte Teil von dem ersten Teil gelöst wird, kann der zweite Teil – etwa zum Reifenwechsel – demontiert werden.
Als Material für die Vorrichtung eignet sich insbesondere ein Faser-Kunststoffverbund, der vorzugsweise eine durchgängige Faserstruktur zwischen dem ersten Teil des Rades und dem Mittel zur Anbindung des ersten Teils an die Fahrzeugkarosserie ausbildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Mittel zur Anbindung des ersten Teils an die Fahrzeugkarosserie gegenüber mindestens einer Bewegung, d. h. mindestens einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung, d. h. einer Bewegung mit mindestens einem translatorischen und/oder rotatorischen Freiheitsgrad, des ersten Teils, vorzugsweise mindestens gegenüber einer Bewegung des ersten Teils mindestens teilweise in vertikaler Richtung, relativ zu der Fahrzeugkarosserie nachgiebig ausgestaltet. Das Mittel erfüllt damit die Funktion eines Längslenkers und/oder eines Querlenkers. Vorzugsweise ist auch die Funktion einer Feder und/oder eines Dämpfers in das Mittel integriert. Das Mittel verhält sich gegenüber der genannten Bewegung dann als Feder und/oder als Dämpfer, d.h. es setzt der Bewegung eine Federkraft entgegen und/oder dämpft die Bewegung.
Unter einer Bewegung mindestens teilweise in vertikaler Richtung wird eine translatorische Bewegung verstanden, die nicht orthogonal zur vertikalen bzw. nicht ausschließlich horizontal verläuft, d.h. mit einer vertikalen Achse einen Winkel von weniger als 90° einschließt. Es gibt also einen vertikal verlaufenden, von null verschiedenen Richtungsvektor der Bewegung. Vorzugsweise verläuft die Bewegung vollständig vertikal.
Bevorzugt ist weiterhin eine Anbindung des ersten Teils an die Fahrzeugkarosserie durch das Mittel derart, dass eine rotatorische Bewegung des ersten Teils, insbesondere eine rotatorische Bewegung um die Laufachse des Rads unterbunden wird. Der erste Teil ist also bezüglich der Laufachse drehfest an die Fahrzeugkarosserie angebunden.
Besonderes bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Mittels zur Anbindung des ersten Teils an die Fahrzeugkarosserie als Querblattfeder. Bei einer Querblattfeder handelt es sich um einen Biegebalken mit flachem Querschnitt. Die Querblattfeder ist also gegenüber einer Verbiegung entlang einer zweidimensionalen Bewegungsbahn nachgiebig ausgestaltet. Orthogonal zu dieser Bahn setzt die Querblattfeder einer Verbiegung einen erhöhten Widerstand entgegen.
Herkömmliche nabenlose Räder sind mittels Wälzlagern gelagert. Mit steigendem Lagerdurchmesser erhöht sich allerdings die Anzahl an Wälzkörpern. Dies führt bei nabenlosen Rädern zu Gewichtsproblemen. Aufgrund des großen Lagerdurchmessers treten zudem hohe Reibmomente auf. Diese Nachteile lassen sich durch die Verwendung von Luftlagern vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist daher der erste Teil des Radträgers eine innere Lauffläche eines Luftlagers auf. Entsprechend weist dann der zweite Teil eine äußere Lauffläche desselben Luftlagers auf, die mit der inneren Lauffläche eine Lagerpaarung bilden kann. Die beiden Laufflächen sind konzentrisch um die Laufachse des Rads angeordnet. Mit Laufachse wird die Drehachse des Rads quer zur Fahrtrichtung bezeichnet.
Bei dem Luftlager kann es sich um ein aerostatisches oder aerodynamisches Luftlager handeln. Ein aerostatisches Lager erfordert eine gesonderte Luftversorgung des Lagers, um in den zwischen der inneren Lauffläche und der äußeren Lauffläche verlaufenden Lagerspalt Luft einzuführen. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft mindestens ein Mittel zum Leiten der Luft mindestens teilweise innerhalb des Mittels zur Anbindung des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie. Die Luft wird zu der inneren Lauffläche geleitet und gelangt dort, etwa durch Bohrungen, in den Lagerspalt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Mittel zum Leiten von Luft von außen nicht sichtbar. Dies ist vor allem in Hinblick auf das Design von Vorteil. Das Mittel zum Leiten der Luft verläuft weiterbildungsgemäß vollständig innerhalb der Vorrichtung und/oder der Fahrzeugkarosserie. Insbesondere kann das Mittel zum Leiten der Luft im Inneren der Vorrichtung von dem Mittel zur Anbindung des ersten Teils des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie in den ersten Teil des Radträgers hinein verlaufen.
Bei dem Mittel zum Leiten der Luft kann es sich um einen im Inneren der Vorrichtung, insbesondere im Inneren des Mittels zur Anbindung des ersten Teils des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie, verlegten Luftschlauch handeln. Vorzugsweise wird aber auch auf den Luftschlauch verzichtet. Stattdessen bildet mindestens ein erster Hohlraum im Inneren des Mittels zur Anbindung des ersten Teils des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie einen ersten Teil des Mittels zum Leiten der Luft. Der erste Hohlraum, den das Mittels zur Anbindung des ersten Teils des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie bildet und der erste Teil des Mittels zum Leiten der Luft sind also identisch.
Vorzugsweise bildet ein zweiter Hohlraum im Inneren des ersten Teils des Radträgers mindestens einen zweiten Teil des Mittels zum Leiten der Luft. Der zweite Hohlraum, den der erste Teil des Radträgers bildet und der zweite Teil des Mittels zum Leiten der Luft sind also identisch. Dabei geht der erste Hohlraum in den zweiten Hohlraum über. Insbesondere sind der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum luftleitend miteinander verbunden. Bei dem zweiten Hohlraum kann es um ein Kanalsystem handeln, bei dem Bohrungen, bzw. feine Kanäle in die innere Lauffläche münden.
Bei einem aerostatischen Lager führt ein Ausfall der Luftversorgung zu einem Ausfall des Luftlagers. Um in diesem Fall Notlaufeigenschaften zu gewährleisten, weist eine weiterhin bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein Fanglager auf, das geeignet ist, bei einem Ausfall des Luftlagers die drehbare Lagerung des Rads sicherzustellen. Als Fanglager eignet sich prinzipiell ein Wälzlager. Allerdings geht die Verwendung eines Wälzlagers mit dem oben bereits genannten Nachteilen einher. Vorzugsweise ist das Fanglager daher als Gleitlager ausgestaltet. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die innere Lauffläche und die äußere Lauffläche des Luftlagers zusätzlich ein Gleitlager bilden. Die innere Lauffläche ist also gleichzeitig Lauffläche des Luftlagers und Lauffläche des Gleitlagers. Entsprechend ist die äußere Lauffläche gleichzeitig Lauffläche des Luftlagers und Lauffläche des Gleitlagers. Um auch als Gleitlager zu funktionieren, können die innere Lauffläche und/oder die äußere Lauffläche eine Beschichtung, etwa aus einem metallischen, mineralischen, organischen Material aufweisen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann die Luftversorgung eines aerodynamischen Luftlagers gezielt vermindert werden, um eine Bremsung einzuleiten. Dabei weist der erste Teil des Radträgers mindestens eine erste Reibfläche und der zweite Teil des Radträgers mindestens eine zweite Reibfläche auf, wobei ein Bremsmoment erzeugt wird, das einer Drehung des zweiten Teils des Radträgers entgegenwirkt, wenn die erste Reibfläche mit der zweiten Reibfläche in Kontakt kommt. Die erste Reibfläche kommt genau dann mit der zweiten Reibfläche in Kontakt und erzeugt so das Bremsmoment, wenn keine Luft zu der inneren Lauffläche geleitet wird. Entsprechend kommt die erste Reibfläche mit der zweiten Reibfläche in Kontakt, wenn Luft zu der inneren Lauffläche geleitet wird.
Bei Verwendung eines Magnetlagers anstelle eines Luftlagers kann die Bremsung auf analoge Weise durch Reduzierung der Energieversorgung des Magnetlagers eingeleitet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt
1 ein nabenloses Rad; und
2 das Rad im Querschnitt.
Ein nabenloses Rad 101 gemäß 1 besteht aus einem ersten Teil 103 eines Radträgers, aus einem zweiten Teil 105 des Radträgers und aus einem Reifen 107. Der Reifen 107 ist auf eine Felge aufgezogen, die einstückig mit dem zweiten Teil 105 des Radträgers ausgebildet ist. Der zweite Teil 105 des Radträgers und damit auch der Reifen 107 sind drehbar in dem ersten Teil 103 des Radträgers gelagert.
Der erste Teil 103 des Radträgers ist einstückig mit vier Querblattfedern 109 und einem Querstabilisator 111 ausgebildet. Die Querblattfedern 109 fungieren als Längslenker, als Querlenker, als Federn und als Dämpfer. Mit ihrem freien Ende sind die Querblattfedern 109 an eine – in 1 nicht dargestellte – Fahrzeugkarosserie angebunden, d.h. an der Fahrzeugkarosserie befestigt.
Der Querstabilisator 111 koppelt das Rad 101 mit einem weiteren, auf einer gegenüberliegenden Karosserieseite angeordneten Rad, das zu dem in 1 dargestellten Rad spiegelbildlich ausgestaltet ist und einen weiteren Radträger umfasst. Mit einem ersten Teil dieses Radträgers ist der Querstabilisator 111 einstückig verbunden. Die beiden ersten Teile der beiden Radträger und der Querstabilisator sind folglich einstückig miteinander verbunden
Der in 2 dargestellte Querschnitt des Rads 101 zeigt den inneren Aufbau des Radträgers. Eine innere Lauffläche des ersten Teils 103 des Radträgers und eine äußere Lauffläche des zweiten Teils 105 des Radträgers bilden einen Luftspalt 201. Weiterhin bilden die inneren Lauffläche und die äußere Lauffläche eine Axialführung 203, die den zweiten Teil 105 des Radträgers und damit auch den Reifen 107 in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Drehachse des Rads 101, fixieren kann.
An den Rändern des Luftspalts 201 verlaufen Dichtungen 205. Diese gewährleisten, dass in dem Luftspalt 201 ein hinreichender Luftdruck aufgebaut werden kann. Bei den Dichtungen 205 kann es sich beispielsweise um Labyrinthdichtungen, Wellendichtringe oder Filzdichtringe handeln. Die Höhe des Luftspalts liegt zwischen 0,01 und 0,5 mm.
Einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird statt eines Luftlagers ein Magnetlager verwendet. Insbesondere kann das Magnetlager Antriebsfunktionen übernehmen, d.h. als Antriebsmotor ausgebildet sein. Für die Energieversorgung des Magnetlagers benötigte Leitungen sind dabei in dem ersten Teil 103 des Radträgers und mindestens einer der Querblattfedern 109 eingebettet.
Bezugszeichenliste

101: nabenloses Rad
103: erster Teil eines Radträgers
105: zweiter Teil eines Radträgers
107: Reifen
109: Querblattfeder
111: Querstabilisator
201: Luftspalt
203: Axialführung
205: Dichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/289362 A [0003]
WO 13004788 A1 [0004]
WO 12171782 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung mit mindestens einem ersten Teil (103) eines Radträgers eines nabenloses Rads (101), mit mindestens einem Mittel (109, 111) zur Anbindung des ersten Teils (103) des Radträgers an eine Fahrzeugkarosserie, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (109, 111) zur Anbindung des ersten Teils (103) des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie mit dem ersten Teil (103) des Radträgers einstückig verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (109) zur Anbindung des ersten Teils (103) des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie gegenüber einer Bewegung des ersten Teils (103) mit mindestens einem translatorischen und/oder rotatorischen Freiheitsgrad des Radträgers relativ zu der Fahrzeugkarosserie nachgiebig ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil (103) des Radträgers eine innere Lauffläche eines Luftlagers aufweist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch mindestens ein Mittel zum Leiten von Luft zu der inneren Lauffläche, wobei das Mittel zum Leiten von Luft mindestens teilweise innerhalb des Mittels (109, 111) zur Anbindung des ersten Teils (103) des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie verläuft.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Leiten von Luft vollständig innerhalb der Vorrichtung und/oder der Fahrzeugkarosserie verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, gekennzeichnet durch mindestens einen ersten Hohlraum im Inneren des Mittels (109, 111) zur Anbindung des ersten Teils (103) des Radträgers an die Fahrzeugkarosserie, wobei der erste Hohlraum mindestens einen ersten Teil des Mittels zum Leiten von Luft bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch mindestens einen zweiten Hohlraum im Inneren des ersten Teils (103) des Radträgers, wobei der zweite Hohlraum mindestens einen zweiten Teil des Mittels zum Leiten von Luft bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch ein Fanglager, das geeignet ist, bei einem Ausfall des Luftlagers die drehbare Lagerung des Rads sicherzustellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Teil des Radträgers um genau eine Drehachse, drehbar in dem ersten Teil (103) des Radträgers gelagert ist, wobei der erste Teil (103) des Radträgers mindestens eine erste Reibfläche und der zweite Teil des Radträgers mindestens eine zweite Reibfläche aufweist, wobei ein Bremsmoment erzeugt wird, das einer Drehung des zweiten Teils des Radträgers entgegenwirkt, wenn die erste Reibfläche mit der zweiten Reibfläche in Kontakt kommt, und wobei die erste Reibfläche mit der zweiten Reibfläche in Kontakt kommt, wenn keine Luft zu der inneren Lauffläche geleitet wird.