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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Hinterradlenkung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Obergriffs des Anspruchs 1, bei welchem wenigstens ein Radträger derart über einen Aktuator verschwenkt wird, dass ein mit dem Radträger gekoppeltes Laufrad hinsichtlich seines veränderbaren Lenkwinkels gegenüber einer Längsrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet wird,. Die Erfindung betrifft auch eine Hinterradlenkung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 2, umfassend mindestens einen gegenüber einem Hilfsrahmen oder Aufbau des Fahrzeugs drehbar gelagerten Radträger, welcher mit dem Aktuator kraftübertragend verbunden ist, wobei der Radträger zur drehbaren Lagerung eines Laufrades vorgesehen ist, dessen Lenkwinkel gegenüber einer Längsrichtung des Fahrzeugs über ein Verschwenken des Radträgers durch den Aktuator veränderbar ist.
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Laufräder von Fahrzeugen werden typischerweise nicht unmittelbar, sondern durch Zwischenschaltung einer Vorder- und/oder Hinterachse mittelbar an dem Aufbau bzw. Hilfsrahmen des jeweiligen Fahrzeugs befestigt. Dabei beinhalten die Achsen relativ zum Aufbau bewegliche Komponenten, welche in Kombination mit federnden und dämpfenden Elementen die Bestandteile eines Fahrwerks bilden. Hierdurch wird das Fahrzeug weitestgehend von dem zu befahrenden Untergrund entkoppelt. Neben dem gewünschten Fahrkomfort kann so insbesondere die notwendige Fahrstabilität sichergestellt werden.
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Auch wenn insbesondere die Hinterachse als Starr- oder Halbstarrachse ausgebildet sein kann, hat sich auch für die Anbindung der Hinterräder die für Vorderräder typische Einzelradaufhängung etabliert. Dies meint, dass das jeweilige Rad auf einem Radträger drehbar gelagert ist, welcher wiederum über mehrere Lenker beweglich angelenkt ist. Derartige Einzelradaufhängungen sind auf beiden Seiten zweispuriger Fahrzeuge angeordnet. Obwohl die bei Einzelradaufhängungen gegenüberliegenden Räder nicht - wie im klassischen Sinne - auf einer gemeinsamen baulichen Querverbindung angeordnet sind, wird deren paarweise Anordnung üblicherweise dennoch als Vorder- oder Hinterachse bezeichnet.
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Die einzelnen Lenker können entweder direkt an dem Aufbau oder unter Eingliederung eines Hilfsrahmens mit dem Fahrzeug gekoppelt sein. Derartige Hilfsrahmen sind beispielsweise auch unter dem Ausdruck Fahrschemel oder Achsträger bekannt. Deren Anordnung bietet den Vorteil eines vorkonfektionierten modularen Aufbaus, so dass die Endmontage nur noch die Befestigung des so geschaffenen Vorder- und/oder Hinterachsmoduls über wenige Befestigungsmittel erfordert. Durch die Zwischenschaltung von zumindest teilweise elastischen Verbindungselementen kann die Übertragung von Schwingungen und Körperschall in den Fahrzeuginnenraum zudem weitestgehend reduziert werden.
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Gegenüber Verbundlenkerachsen weisen Einzelradaufhängungen den Vorteil von verbesserten Fahreigenschaften auf, was insbesondere aus deren sich gegenseitig nicht beeinflussenden Radstellungen beim Ein- und Ausfedern her resultiert. Zudem benötigen Einzelradaufhängungen einen geringeren Bauraum, was wiederum die Möglichkeit des Zugewinns an freiem Volumen eröffnet. Dieses kann dann in vorteilhafter Weise beispielsweise dem Innen- und/oder Kofferraum des Fahrzeugs zugewiesen werden.
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In Abhängigkeit von Ausgestaltung und Einbaulage der Lenker unterscheidet man zwischen Längs-, Schräg- und Querlenker. Deren jeweilige Orientierung bezieht sich dabei auf die Längsrichtung bzw. Fahrtrichtung des Fahrzeugs, so dass sich beispielsweise der Querlenker im Wesentlichen quer zur Fahrtrichtung erstreckt. Die fahrzeugseitige Lagerung des einzelnen Lenkers erfolgt über wenigstens eine Buchse, welche zumeist als Verbundlager in Form eines Gummi-Metall-Lagers ausgeführt ist. Der Gummi-Anteil sorgt dabei für eine ausreichende Entkopplung und begrenzte Beweglichkeit des Lenkers gegenüber seiner Lagerung.
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Neben der reinen Anbindung der Laufräder ist eine Ausgestaltung der Hinterachse bekannt, welche zusätzlich zu den vorderen Laufrädern auch eine Lenkbarkeit der hinteren Laufräder ermöglicht. Dies ermöglicht beispielsweise einen kleinen Wendekreis. Insbesondere bei Manövern mit geringer Geschwindigkeit, wie etwa beim Ein- und Ausparken, bietet die zusätzliche Hinterradlenkung einen Zugewinn an Komfort und Beweglichkeit.
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Im Stand der Technik sind bereits diverse Ausgestaltungen von Hinterradlenkungen und deren Betrieb bekannt.
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So ist mit der
EP 1 939 073 A2 ein Fahrzeug bekannt geworden, welches neben einer Vorderradlenkung zusätzlich eine Hinterradlenkung mit umfasst. Hierzu ist eine Radaufhängung mit einem Querlenker vorgesehen, wobei der Querlenker zwischen einem Radträger und einem Fahrzeugaufbau angeordnet ist. Der Radträger dient der drehbaren Lagerung eines Rades. Über bewegliche Verbindungen ist der Querlenker an dem Fahrzeugaufbau verschwenkbar gelagert, während der Radträger gegenüber dem Querlenker um eine Hochachse herum begrenzt drehbar ist. Zwischen Querlenker und Radträger ist ein in seiner Längsrichtung veränderbarer Aktuator derart angeordnet, dass dessen Längenveränderung in eine Drehbewegung des Radträgers um seine Lagerung an dem Querlenker herum umsetzbar ist. In Bezug auf die Veränderung des Lenkwinkels des Radträgers und damit des Rades ist vorgesehen, dass der hierfür dienende Aktuator manuell und/oder automatisiert zu- oder abgeschaltet werden kann. Insbesondere die automatisierte Abschaltung des Aktuators kann dabei als Reaktion auf die Überschreitung einer zuvor festgelegten Geschwindigkeit des Fahrzeugs erfolgen.
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Die
DE 691 14 632 T2 befasst sich mit einer Hinterradlenkung für Fahrzeuge. Dabei wird der Hinweis gegeben, dass wenn die Geschwindigkeit der Vorder- und Hinterräder unterschiedlich ist, es notwendig sei, den Lenkwinkel der Hinterräder zu ändern. Die
DE 691 14 632 T2 verweist darauf, dass es möglich sei, das Lenkverhältnis der Hinterräder zu den Vorderrädern zu steuern, indem die Neigung der Führung gesteuert wird.
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Die
DE 10 2011 007 283 A1 betrifft eine Fahrzeug-Einzelradaufhängung für ein mittels eines Aktuators lenkbares Hinterrad eines zweispurigen Fahrzeugs, dessen Radträger durch einen sich in Fahrzeug-Längsrichtung erstreckenden Längslenker sowie zwei sich in Fahrzeug-Querrichtung erstreckende und in verschiedenen Höhen-Ebenen liegende Querlenker geführt ist, die mittels eines Bolzens oder dergleichen über ein Gummilager oder ein zumindest einen geringen Drehfreiheitsgrad aufweisendes Gelenk am Radträger befestigt sind. Mittels dieser beiden Bolzen ist auch der Längslenker jeweils über ein Gummilager oder ein zumindest einen geringen Drehfreiheitsgrad aufweisendes Gelenk solchermaßen am Radträger gelagert, dass der Radträger gegenüber dem Längslenker zumindest geringfügig um eine im wesentlichen in Vertikalrichtung verlaufende und durch diese Gummilager oder Gelenke gebildete Schwenkachse verschwenkbar ist, wobei dieser so gebildete Dreh-Freiheitgrad des Radträgers durch ein am Radträger angelenktes Spurstangenelement gebunden ist, welches mittels eines Aktuator-Stellelements zumindest anteilig in Fahrzeugquerrichtung verlagerbar ist.
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Aus der JPH 021 825 81 A sowie der
DE 40 00 557 A1 geht jeweils eine für ein vierrädriges Fahrzeug vorgesehene Aufhängungs-Lenkungs-Steuervorrichtung hervor. Neben einer veränderbaren Aufhängungscharakteristik sind insbesondere die Hinterräder über einen Hinterrad-Lenkmechanismus entsprechend lenkbar. Dabei werden die Hinterräder über eine Lenkcharakteristik derart gesteuert, dass deren Lenkung in Synchronisation mit der Änderung der Aufhängungscharakteristik korrigiert wird. Weiterhin kann die Aufhängungscharakteristik an die Fahrzeuggeschwindigkeit angepasst sein.
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Aus der
US 5,088,573 A sowie der
DE 38 07 274 A1 ist jeweils eine für ein Kraftfahrzeug vorgesehene Vierradlenkeinrichtung bekannt. Zusätzlich zu den über ein Lenkrad lenkbaren Vorderrädern ermöglichen hydraulische Steuerzylinder ebenfalls die Lenkbarkeit der Hinterräder. Hierzu sind die Hinterräder an jeweils einem drehbaren Radträger gelagert, welche mit je einem der hydraulischen Steuerzylinder gekoppelt sind. Die Drehbarkeit des jeweiligen Radträgers erfolgt dabei um eine von Stützgelenken zwischen dem Radträger und einem Radführungslenker gebildete Drehachse herum. Im Betrieb sind die Hinterräder in einem variablen Radeinschlagwinkelverhältnis zu den Vorderrädern hinsichtlich ihres eigenen Radwinkels einstellbar. Über eine ebenfalls vorhandene federbelastete Rückstelleinrichtung erfolgt eine zwangsweise Rückstellbewegung der Hinterräder in eine Geradeausstellung.
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Durch die
WO 03/057529 A2 wurde ein modular anpassbares Fahrzeug mit Strukturen in Leichtbauweise aufgezeigt, welches vier über je eine semi-aktive Einzelradaufhängung angebundene Räder besitzt. Das Fahrzeug weist eine rein elektrische Lenkung für die Vorderräder ohne mechanische Verbindung zu einem Lenkrad auf. Die Ansprechempfindlichkeit der Vorderradlenkung kann variabel sein, beispielsweise in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder im Zusammenhang mit Parkmanövern.
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Bei integrierten Einzelradaufhängungen handelt es sich um Hochleistungssysteme für die Hinterachse von Fahrzeugen, insbesondere bei Personenfahrzeugen. Um ein effizientes Aufhängungsdesign mit geringen Kosten und gleichzeitig geringem Gewicht zu erhalten, kann der wenigstens eine integrierte Lenker ein Verbindungselement in Form einer Lagerbuchse aufweisen. Diese Lagerbuchse stellt eine Schnittstelle dar, welche die gelenkige Verbindung zwischen dem Radträger (Achsschenkelgelenk) und beispielsweise dem unteren Querlenker ermöglicht. Besagte Lagerbuchse muss in Bezug auf die globalen Fahrzeugkoordinaten unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Insbesondere in Verbindung mit einer Hinterradlenkung ist gleichzeitig deren Weichheit in lateraler Richtung sowie deren Steifheit in vertikaler Richtung erforderlich, um die gewünschte seitliche Einhaltung der Lenkeigenschaften erzielen zu können.
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Sofern ein Hinterradlenksystem in eine solche Hinterachse integriert ist, bedarf es mindestens eines geeigneten Aktuators, um eine gezielte Veränderung des Lenkwinkels der Hinterräder zu ermöglichen. Dieser Aktuator erzeugt zusätzliche seitliche Verlagerungen innerhalb der Lagerbuchse, welche zwischen dem unteren Querlenker und dem Radträger angeordnet sein kann. Aufgrund des aus der Lagerbuchse heraus resultierenden Widerstandes ist der Aktuator wiederum entsprechend auszulegen, um das so erhöhte erforderliche Kraftniveau überhaupt aufbringen zu können.
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Um dennoch einen kleinen und somit kostengünstigeren Aktuator verwenden zu können, schlägt die
US 2010/0211261 A1 ein zusätzliches System zur Steuerung des Verhaltens eines Fahrzeugs vor. Kern dieses System ist die Anordnung eines aktiven Fahrwerks, welches neben einer Vorderradlenkung zusätzlich eine Hinterradlenkung mit umfasst. Das System weist eine Steuereinheit auf, über welche die Hinterräder durch einen Aktuator in ihrem Lenkwinkel angesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt derart, dass die effektive Steifigkeit der Hinterradfederung bei steigender effektiver Steifigkeit der Vorderradfederung reduziert wird, sobald eine erhöhte Belastung eines Hinterrades durch Kontakt mit dem Untergrund festgestellt wird oder zu erwarten ist. Derartige Belastungen liegen typischer Weise bei hohen Querbeschleunigungen in Kurven vor, welche eine hohe Leistung des Aktuators zur gleichzeitigen Verstellung des Lenkwinkels der Hinterräder erfordern. Um einen Aktuator mit geringer Leistung verwenden zu können, wird die effektive Steifigkeit der Hinterradfederung in solchen Situationen temporär reduziert, um eine Veränderung des Lenkwinkels der Hinterräder vorzunehmen. Nach Abschluss der Lenkbewegung der Hinterräder wird die Steifigkeit wieder auf das erforderliche Maß erhöht. Hierdurch kommt es zu keinerlei unangemessener Verzögerung in der Ansteuerung der Hinterräder bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch.
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Ohne den Einsatz eines wie zuvor aufgezeigten Systems mit einem aktiven Fahrwerk bedarf es auch weiterhin großer Aktuatoren, um die notwendigen Steuerungskräfte aufbringen zu können. Aber auch unter Verwendung eines aktiven Fahrwerks ist eine wie zuvor aufgezeigte Steuerung mit hohem Aufwand verbunden und ein mitunter unerwünschter Eingriff in das Fahrwerksverhalten während Lenkbewegungen der Hinterräder notwendig. Angesicht der bisher bekannten Hinterradlenkungen und Verfahren zu deren Betrieb bieten diese daher durchaus noch Raum für Verbesserungen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Hinterradlenkung sowie eine Hinterradlenkung für ein Fahrzeug dahingehend weiterzuentwickeln, dass diese leichter sowie kostengünstiger ausgeführt sein kann und trotz kleinerem Aktuator auf einem höheren Systemleistungsniveau betrieben wird.
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Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei der Radträger über zwei Verbindungselemente mit einem Querlenker verbunden wird, und wobei der Aktuator einen Elektromotor umfasst, dessen Drehbewegung durch eine nicht-lineare Übertragungsfunktion in eine zum Verschwenken des Radträgers um das erste Verbindungselement herum dienende translatorische Bewegung des Aktuators übertragen wird, wobei zum Einnehmen eines kleinen Lenkwinkels die Drehbewegung des Elektromotors in die translatorische Bewegung des Aktuators durch die Übertragungsfunktion hoch übersetzt wird, so dass eine schnelle translatorische Bewegung des Aktuators mit geringer Kraft erzeugt wird, und zum Einnehmen eines großen Lenkwinkels die Drehbewegung des Elektromotors in die translatorische Bewegung des Aktuators durch die Übertragungsfunktion gering übersetzt wird, so dass eine langsame translatorische Bewegung des Aktuators mit hoher Kraft erzeugt wird. Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe findet sich in einer Hinterradlenkung mit den Merkmalen von Anspruch 2, wobei der Radträger über zwei Verbindungselemente mit einem Querlenker verbunden ist, von denen das erste der Verbindungselemente als Kugelgelenk ausgebildet ist, und wobei das zweite der Verbindungselemente als Lagerbuchse ausgebildet ist, welche eine hohe Steifigkeit in eine Hochrichtung und eine niedrige Steifigkeit in eine Querrichtung besitzt, wobei der Aktuator einen Elektromotor umfasst, dessen Drehbewegung nicht-linear in eine zum Verschwenken des Radträgers um das erste Verbindungselement herum dienende translatorische Bewegung des Aktuators übertragbar ist.
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Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Hinterradlenkung betrifft Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge mit einer Einzelradaufhängung, welche einzelne Lenker umfasst. Denkbar ist allerdings auch der Einsatz in anderen Formen für Hinterachsen, wie bereits in der Einleitung aufgezeigt, so dass die Erfindung nicht auf derartige Ausgestaltungen beschränkt ist.
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Das Verfahren sieht zunächst wenigstens einen Radträger und einen mit dem Radträger derart gekoppelten Aktuator so vor, dass der Radträger über den Aktuator verschwenkt werden kann. Um eine Lenkbewegung wenigstens eines hinteren Laufrades zu ermöglichen, ist dieses hierfür in typischer Weise drehbar an dem Radträger gelagert. Auf diese Weise kann das mit dem Radträger gekoppelte Laufrad hinsichtlich seines so veränderbaren Lenkwinkels gegenüber einer Längsrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet werden.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Aktuator wenigstens einen Elektromotor umfasst. Besagter Elektromotor ist dazu vorgesehen, dass dessen Drehbewegung seiner Abtriebsachse in eine translatorische Bewegung des Aktuators übertragen werden kann. Diese durch die Drehbewegung der Abtriebsachse hervorgerufene translatorische Bewegung des Aktuators dient dazu, den Radträger in gewünschter Weise gegenüber seiner Normalstellung zu verschwenken. Selbstverständlich ist diese Bewegung auch umkehrbar, so dass der Radträger mit dem daran angeordneten Laufrad wieder in seine als Ausgangsstellung zu bezeichnende Normalstellung zurück verschwenkt werden kann.
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Zielführend hierbei ist, dass die Drehbewegung des Elektromotors durch eine nicht-lineare Übertragungsfunktion in die translatorische Bewegung des Aktuators umgesetzt wird.
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Mit anderen Worten sieht die Erfindung nun erstmals vor, dass die Drehbewegung des Elektromotors nicht zwingend im Sinne eines festen Übersetzungsverhältnisses quasi 1 : 1 in die translatorische Bewegung des Aktuators umgesetzt wird, sondern dem Einfluss der Übertragungsfunktion unterliegt. Auf diese Weise kann das Übersetzungsverhältnis nun derart angepasst werden, dass beispielsweise ein und derselbe Wert für die Umdrehung der Abtriebsachse des Elektromotors in unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen in die translatorische Bewegung des Aktuators umgesetzt werden kann.
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Besonders bevorzugt kann der Aktuator hierfür so ausgestaltet sein, dass dessen translatorische Bewegung eine lineare Bewegung meint. Hierzu kann der Aktuator beispielsweise eine Schubstange aufweisen, welche aufgrund der Drehbewegung des Elektromotors und in Abhängigkeit seiner Drehrichtung entweder linear ein- oder ausgefahren wird. Alternativ hierzu kann der Aktuator einen Hebelarm besitzen, welcher an einer Drehachse gelagert um diese herum verschwenkbar ist.
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In Bezug auf die mögliche Ansteuerung des Aktuators bezüglich der Übertragungsfunktion sind nun diverse Ausgestaltungen denkbar. Hierbei kann die Übertragungsfunktion beispielsweise linear oder nichtlinear ausgelegt sein. Auch eine Kombination aus dem Genannten ist denkbar. So sieht eine erfindungsgemäße Maßnahme vor, dass die Drehbewegung des Elektromotors in die translatorische Bewegung des Aktuators bei Bedarf durch die Übertragungsfunktion hoch oder gering verstärkt, also übersetzt wird.
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Eine hohe Verstärkung, also Übersetzung ist immer dann sinnvoll, wenn nur eine kleine Veränderung des Lenkwinkels notwendig ist. Mit anderen Worten handelt es sich hierbei um die Einnahme eines kleinen Lenkwinkels.
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Kleine Lenkwinkel werden typischer Weise während agiler und dynamischer Fahrmanöver benötigt, wo sie eine möglichst schnelle Reaktion hinsichtlich der Lenkbewegungen der Hinterräder ermöglichen. Hierdurch werden insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs sowohl dessen Fahrverhalten als auch die Stabilität verbessert. Grundlage hierfür ist, dass bei kleinen Lenkwinkeln sowohl die erforderliche Leistung als auch der Energiebedarf relativ gering sind, da die anliegenden Gegenkräfte und -momente insbesondere aus der Lagerbuchse heraus relativ gering sind. Gleichzeitig ist während dieser Manöver die Geschwindigkeit des Fahrzeugs hoch, so dass der Widerstand der Laufräder im Kontakt mit dem Untergrund hinsichtlich ihrer Lenkwinkelveränderung keine oder keine große Rolle spielt. Dies steht im Gegensatz zu den im Stand oder bei geringen Geschwindigkeiten auftretenden Widerständen des belasteten Laufrades auf dem Untergrund bei einer Veränderung seines Lenkwinkels.
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Eine demgegenüber geringe Verstärkung, also Übersetzung ist immer dann sinnvoll, wenn eine große Veränderung des Lenkwinkels notwendig ist. Mit anderen Worten handelt es sich hierbei dann um die Einnahme eines entsprechend großen bzw. größeren Lenkwinkels. Hieraus ergibt sich zwangsläufig eine langsamere Reaktion des Aktuators hinsichtlich seiner Möglichkeit zur Veränderung des Lenkwinkels. Allerdings wird hierdurch die eigentliche Systemleistung nicht verschlechtert. Dies ist insbesondere damit zu begründen, dass große Radwinkel zumeist während quasi statischen Manövern auftreten. Typische Situationen hierfür liegen beispielsweise während des Ein- und Ausparkens sowie generell in innerstädtischer Umgebung vor. So wird ein großer Lenkwinkel immer dann benötigt, wenn die zu fahrenden Kurven enger sind und somit der Wendekreis klein gehalten werden muss. Bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten tritt eine solche Anforderung in der Regel nicht auf.
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Der grundsätzliche Vorteil der Erfindung liegt in der nun möglichen Verwendung eines Aktuators, dessen aufzubringende Kraft zur Veränderung des Lenkwinkels durch die Übertragungsfunktion angepasst werden kann. Im Sinne einer Übersetzung kann so beispielsweise eine niedrige Übersetzung gewählt werden, um eine langsame translatorische Bewegung des Aktuators mit hoher Kraft zu erzeugen. Im Gegensatz hierzu kann dann eine hohe Übersetzung gewählt werden, um eine entsprechend höhere translatorische Bewegung des Aktuators zu erzeugen, welche demgegenüber eine geringere aufbringbare Kraft beinhaltet.
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Auf diese Weise kann somit je nach Fahrsituation auch ein hinsichtlich seiner Kraft kleiner Aktuator gewählt werden, dessen Leistungsfähigkeit im Hinblick auf seine Möglichkeit einer translatorischen Bewegung durch die Übertragungsfunktion gezielt beeinflusst werden kann. Hiernach kann ein kleiner und somit kostengünstiger sowie leichter Aktuator Verwendung finden, um sämtliche an ihn gestellten Anforderungen zu erfüllen. So kann der an sich kleiner auslegbare Aktuator mit Hilfe der Erfindung im Bedarfsfall auch auf einem hohen Systemleistungsniveau betrieben werden.
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Das zuvor aufgezeigte Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verwendung eines an sich kostengünstigen und leichten Aktuators, welcher sämtliche Anforderungen in Bezug auf die Ansteuerung einer Hinterradlenkung für ein Fahrzeug mit Hilfe des vorliegenden Erfindungsgedankens abdeckt. Insbesondere die nicht-lineare Übertragungsfunktion ermöglicht hierbei die situationsgerechte Verwendung des Aktuators in der Form, ob dieser je nach Fahrsituation entweder zur Erzeugung einer hohen Kraft mit entsprechend langsamerer Reaktionszeit oder aber eine nur geringere Kraft mit entsprechend schnellerer Reaktionszeit aufzubringen hat.
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Hiernach ist es nun nicht mehr notwendig, den Aktuator an die zu erwartende höchste Anforderung anzupassen, da dieser ansonsten für die meisten Fahrsituationen als überdimensioniert anzusehen ist. Hier ist es die mit der Erfindung mögliche Verwendung eines kleineren Aktuators, welcher mit Hilfe der Übertragungsfunktion sämtliche Anforderungen erfüllen kann. Im Ergebnis kann eine so betriebene Hinterradlenkung deutlich kostengünstiger und leichter ausgestaltet werden, was sich letztlich auch in einer Verkleinerung des notwendigen Bauraums für einen solchen kleineren Aktuator widerspiegelt.
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Letztlich kann die maximal erzeugbare Kraft des Aktuators mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch für eine gegebene Anwendung optimiert werden, ohne die eigentliche Systemleistung zu verschlechtern. Damit können die Aktuator-Hardware verkleinert und der Stromverbrauch des Systems über den gesamten Stellweg hinweg minimiert werden. Ursächlich hierfür ist, dass die Zunahme der Kraft durch den Aktuator bei großen Verlagerungen durch die nicht-lineare Funktion zwischen der elektrischen Motorumdrehung (Input) und der Translationsverschiebung des Aktuators (Output) kompensiert wird.
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Im Vergleich zu Hinterachssystemen mit integrierten Hinterrad-Lenksystemen im Stand der Technik ermöglicht die vorliegende Erfindung aufgrund der variablen Übersetzung ein leichteres und kostengünstigeres System, welches trotz kleinerem Aktuator dennoch auf einem höheren Systemleistungsniveau betrieben werden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Hinterradlenkung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug sowie ein zugehöriges Fahrzeug. Die erfindungsgemäße Hinterradlenkung dient zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Hierzu umfasst die Hinterradlenkung mindestens einen gegenüber einem Hilfsrahmen oder einem Aufbau des Fahrzeugs drehbar gelagerten Radträger sowie einen Aktuator. Der Radträger ist dabei zur drehbaren Lagerung eines Laufrades, insbesondere eines hinteren Laufrades vorgesehen. Weiterhin ist der Radträger mit dem Aktuator kraftübertragend verbunden, so dass der Lenkwinkel des angebundenen Laufrades gegenüber einer Längsrichtung des Fahrzeugs über ein Verschwenken des Radträgers durch den Aktuator veränderbar ist.
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Erfindungsgemäß umfasst der Aktuator mindestens einen Elektromotor, dessen Drehbewegung seiner Abtriebsachse in eine zum Verschwenken des Radträgers dienende translatorische Bewegung des Aktuators übertragbar ist. Dabei ist die Umsetzung der Drehbewegung des Elektromotors in die translatorische Bewegung nicht-linear ausgebildet.
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Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert und gelten für die erfindungsgemäße Hinterradlenkung sowie das mit einer solchen Hinterradlenkung ausgestattete Fahrzeug entsprechend. Dies gilt im Übrigen auch für die nachfolgend benannten weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lenksystems. Aus diesem Grund wird an dieser Stelle auf die vorherigen Ausführungen hierzu verwiesen.
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Erfindungsgemäß ist der Radträger über zwei Verbindungselemente mit einem Querlenker verbunden, wobei der Querlenker im nachfolgenden auch einfach als Lenker bezeichnet wird Das zweite der Verbindungselemente weist eine hohe Steifigkeit in eine Hochrichtung auf, während es in Bezug auf eine Querrichtung eine demgegenüber niedrige Steifigkeit besitzt. Auf diese Weise ist die Lenkbarkeit des Laufrades durch eine begrenzte Veränderbarkeit des Radwinkels gegeben, bei gleichzeitig hoher Nachlaufsteifigkeit.
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Demgegenüber ist das erste der Verbindungselemente als Kugelgelenk ausgebildet. Diese Ausführung ermöglicht eine überaus spielfreie gelenkige Lagerung des Radträgers an dem Lenker, wodurch sich eine präzise Führung des Radträgers ergibt. Gleichzeitig kann das Kugelgelenk einen festen Drehpunkt bilden, um welchen herum der Radträger zur Veränderung des Lenkwinkels begrenzt verschwenkbar ist.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass das zweite Verbindungselement als Lagerbuchse ausgebildet ist. In dieser Ausführung sind die geforderten Nachgiebigkeiten und Steifigkeiten des zweiten Verbindungsgelenks auf einfache sowie kostengünstige und gleichzeitig dauerhafte Weise realisiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hinterradlenkung ist vorgesehen, dass diese wenigstens einen Querlenker umfassen kann, durch welchen der Radträger gegenüber dem Hilfsrahmen oder Aufbau des Fahrzeugs abstützbar ist. Durch den Lenker ist der Aufbau einer überaus platzsparenden und das Fahrverhalten insgesamt verbessernden Radaufhängung ermöglicht.
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Weiterhin kann die Hinterradlenkung auch wenigstens ein Federelement besitzen. Bei diesem kann es sich beispielsweise um eine Drehfeder (Drehstab) handeln. In vorteilhafter Weise kann das Federelement auch ein Dämpferelement mit umfassen. Besonders bevorzugt kann das Federelement sich zwischen dem Aufbau oder dem Hilfsrahmen des Fahrzeugs und dem Lenker oder dem Radträger erstrecken, so dass der Lenker oder der Radträger über das Federelement entsprechend abstützbar ist. Hierbei kann das Federelement beispielsweise als Schraubenfeder oder Luftfeder ausgebildet sein oder eine solche umfassen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seite der erfindungsgemäßen Hinterradlenkung in Form einer Einzelradaufhängung für ein Laufrad in einer Aufsicht sowie
- 2 einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens im Hinblick auf eine den Aktuator ansteuernde Übertragungsfunktion.
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1 zeigt eine Seite der erfindungsgemäßen Hinterradaufhängung 1 in einer schematischen Aufsicht. Der hier sichtbare Teil der Hinterradaufhängung 1 umfasst einen Lenker 2, welcher sich zwischen einem Radträger 3 und einem nicht näher gezeigten Aufbau oder Hilfsrahmen eines Fahrzeugs erstreckt. Der Radträger 3 dient der drehbaren Lagerung eines hier nicht näher gezeigten Laufrades. Der Lenker 2 erstreckt sich im Wesentlichen in einer quer zu einer Längsrichtung x des Fahrzeugs verlaufenden Querrichtung y. Weiterhin ist der Lenker 2 über zwei Verbindungsmittel 4, 5 mit dem Radträger 3 gekoppelt, von denen das erste Verbindungsmittel 4 ein Kugelgelenk und das zweite Verbindungsmittel 5 eine Lagerbuchse ist.
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Das als Kugelgelenk ausgebildete erste Verbindungselement 4 bildet einen Drehpunkt, um welchen herum der Radträger 3 in einer sich zwischen der Längsrichtung x und der Querrichtung y aufspannenden Ebene begrenzt verschwenkbar ist.
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Dabei ist das zweite Verbindungsmittel 5 in Form der Lagerbuchse derart ausgebildet, dass es in Bezug auf die Querrichtung y eine geringe Steifigkeit besitzt, während es in eine senkrecht zur Blattebene von 1 verlaufende Hochrichtung z demgegenüber steif ausgestaltet ist. Hierdurch wird eine hohe Nachlaufsteifigkeit bei gleichzeitiger Ermöglichung der notwendigen Lenkeigenschaften erreicht.
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An einem dem Radträger 3 gegenüberliegenden Ende des Lenkers 2 weist dieser zwei weitere Verbindungselemente 6, 7 in Form eines dritten Verbindungselements 6 und eines vierten Verbindungselements 7 auf, durch welche der Lenker 2 an dem Aufbau oder Hilfsrahmen des Fahrzeugs angebunden ist. Bei diesen Verbindungselementen 6, 7 kann es sich um Kugelgelenke und/oder um Lagerbuchsen handeln.
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Wie zu erkennen, erstreckt sich ferner ein Aktuator 8 zwischen dem Aufbau oder Hilfsrahmen des Fahrzeugs und dem Radträger 3. Besagter Aktuator 8 ist ebenfalls über Verbindungselemente 9, 10 sowohl an den Radträger 3 als auch an den Aufbau oder Hilfsrahmen des Fahrzeugs gelenkig angebunden. Dabei findet die Anbindung an den Radträger 3 über das fünfte Verbindungselement 9 und an den Aufbau oder Hilfsrahmen über das sechste Verbindungselement 10 statt.
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Durch eine Längenänderung des Aktuators 8 ist es somit möglich, den Radträger 3 und somit auch das daran angeordnete Laufrad hinsichtlich eines Lenkwinkels a um das erste Verbindungselement 4 herum über eine Rotationsbewegung B begrenzt zu verschwenken.
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Letztlich ist noch ein Federelement 11 angeordnet, welches mit dem Radträger 3 gekoppelt ist. Das Federelement 11 erstreckt sich im Wesentlichen in Hochrichtung z, so dass der Lenker 2 und der Radträger 3 über das Federelement 11 an dem Aufbau oder Hilfsrahmen des Fahrzeugs abstützbar sind.
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2 zeigt den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf die Ansteuerung des Aktuators 8 aus 1. Dem hier gezeigten Diagramm ist auf der horizontalen Abszisse c der Wert für die Drehzahl eines nicht näher gezeigten Elektromotors des Aktuators 8 zu entnehmen. Demgegenüber zeigt die vertikale Ordinate d des Diagramms den Wert für eine translatorische Bewegung des Aktuators 8; näherhin dessen Längung bzw. Verkürzung zur Veränderung des Lenkwinkels a.
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Weiterhin ist ein Graph ersichtlich, welcher aufgrund seines nicht-linearen Verlaufs bereits auf eine nicht-lineare Funktion schließen lässt. Der Graph steht für eine Übertragungsfunktion e zwischen der Drehbewegung c des Elektromotors und der translatorische Bewegung d des Aktuators 8.
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Wie zu erkennen, ist das vorliegende Diagramm in drei Bereiche F - H aufgeteilt. Jeder dieser Bereiche F - H steht für ein bestimmtes Fahrmanöver. Dabei steht der mit Blick auf die Darstellung von 2 links gelegene erste Bereich F für eine langsame Reaktion des Aktuators 8 in Bezug auf die Veränderung des Lenkwinkels a. Über den Verlauf der Übertragungsfunktion e in diesem ersten Bereich F wird deutlich, dass hierin ein hoher Wert für die Drehzahl des Elektromotors notwendig ist, um die translatorische Bewegung d des Aktuators 8 zu bewirken. Aufgrund der hierbei erfolgenden Übersetzung kann der Aktuator 8 eine hohe Kraft entwickeln, bei gleichzeitig langsamer linearer Verschiebung.
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Die oberhalb der Abszisse c sowie rechts und links der Ordinate d des Diagramms liegenden Teile des Diagramms stehen für die unterschiedlichen Drehrichtungen des Elektromotors und damit für das Ein- oder Ausfahren des Aktuators 8. Aus diesem Grund gilt für den mit Bezug auf die Darstellung von 2 rechts gelegenen dritten Bereich H und den zweiten Bereich F quasi dasselbe, wohingegen sich lediglich die jeweiligen Richtungen der Drehung des Elektromotors und des Längens bzw. Verkürzens des Aktuators ändern.
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Der Betrieb des Aktuators 8 erfolgt insbesondere in solchen Fahrsituationen im ersten bzw. dritten Bereich F, H, welche eine hohe Kraft des Aktuators 8 bei gleichzeitig zeitunkritischer Geschwindigkeit für die Veränderung des Lenkwinkels benötigen. Derartige Situationen finden sich beispielsweise während quasi statischer Manöver, bei starken Lenkeinschlägen zur Verkleinerung des Wendekreises sowie in Parksituationen und generell in innerstädtischen Bereichen. Durch die Übertragungsfunktion e wird in solchen Fahrsituationen der erste bzw. dritte Bereich F, H genutzt, um mittels einer geeigneten Übersetzung der Drehbewegung des Elektromotors eine hohe Kraftentfaltung des Aktuators 8 bei gleichzeitig niedrigen Bewegungsgeschwindigkeiten zu erhalten. Anders ausgedrückt erfolgt dabei trotz hoher Drehzahl c des Elektromotors eine vergleichsweise nur langsame translatorische Bewegung d des Aktuators 8, wodurch eine hohe Stellkraft zur Verfügung steht.
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Ein zwischen dem ersten und dritten Bereich F, H gelegener zweiter Bereich G steht für eine demgegenüber schnellere Reaktion des Aktuators 8, welche aufgrund der dann anderen Übersetzung durch die Übertragungsfunktion e wiederum nicht so viel Kraft beinhalten kann. Typische Fahrsituationen, die eine derartige Ansteuerung des Aktuators 8 erfordern, finden sich beispielsweise während dynamischer und agiler Manöver. Hierdurch können insbesondere das Fahrverhalten und die Stabilität bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten verbessert werden.
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In Bezug auf einen Gesamtarbeitsweg K des Aktuators 8 steht so eine variable Stellkraft zur Verfügung. Dabei wird eine auf den Aktuator 8 zunehmend wirkende Kraft bei großen translatorischen Bewegungen d des Aktuators 8 durch die nicht-lineare Übertragungsfunktion e zwischen der Drehbewegung c des Elektromotors (Input) und der translatorischen Bewegungen d des Aktuators 8 (Output) kompensiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hinterradaufhängung
- 2
- Lenker von 1
- 3
- Radträger von 1
- 4
- erstes Verbindungsmittel zwischen 2 und 3
- 5
- zweites Verbindungsmittel zwischen 2 und 3
- 6
- drittes Verbindungsmittel zwischen 2 und Hilfsrahmen/Aufbau
- 7
- viertes Verbindungsmittel zwischen 2 und Hilfsrahmen/Aufbau
- 8
- Aktuator zwischen 3 und Hilfsrahmen/Aufbau
- 9
- fünftes Verbindungsmittel zwischen 3 und 8
- 10
- sechstes Verbindungsmittel zwischen 8 und Hilfsrahmen/Aufbau
- 11
- Federelement an 3
- a
- Lenkwinkel von 3 gegenüber x
- B
- Rotationsbewegung von 3 um 4
- c
- Abszisse; Wert für Drehbewegung eines Elektromotors von 8
- d
- Ordinate; Wert für translatorische Bewegung von 8
- e
- Übertragungsfunktion
- F
- erster Bereich
- G
- zweiter Bereich
- H
- dritter Bereich
- K
- Gesamtarbeitsweg von 8
- x
- Längsrichtung
- y
- Querrichtung
- z
- Hochrichtung
