DE102018123163A1

DE102018123163A1 - Fahrzeug mit Auslenkungs- und Neigungsmechanismus für Fahrgastzelle

Info

Publication number: DE102018123163A1
Application number: DE102018123163.6A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Bossecker
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2019-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1), mit einem Fahrgestell (2), auf dem eine Fahrgastzelle (3) zum Aufnehmen eines Fahrers und/oder eines Passagiers angeordnet ist, wobei die Fahrgastzelle (3) über einen Mechanismus (4) derart mit dem Fahrgestell (2) verbunden ist, dass sich bei Verlagerung der Fahrgastzelle (3) über den Mechanismus (4) die Neigung (α) und/oder die Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3) relativ zum Fahrgestell (2) verändert, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus (4) so ausgebildet ist, dass die Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3) unabhängig von der Neigung (α) der Fahrgastzelle (3) einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrspuriges, zum Abrollen auf einer Straße vorgesehenes Fahrzeug, wie bspw. ein Personenkraftwagen, insbesondere ein Schmalspur-Fahrzeug, mit einem Fahrgestell, auf dem eine Fahrgastzelle, wie eine Karosserie, zum Aufnehmen eines Fahrers und/oder eines Passagiers angeordnet ist, wobei die Fahrgastzelle über einen Mechanismus derart mit dem Fahrgestell verbunden ist, dass sich bei Verlagerung der Fahrgastzelle über den Mechanismus die Neigung und/oder die Auslenkung der Fahrgastzelle relativ zum Fahrgestell verändert.
Vor allem in Städten steigt zunehmend die Verkehrsdichte. Großstädte stehen vor der Aufgabe, der Parkplatznot und Staubildung entgegenzuwirken. Da ohnehin pro Pkw meistens nur ein Insasse mitfährt, wäre eine logische Konsequenz einen Teil der vorhandenen Fahrspuren in ihrer Breite zu halbieren, um diese für schmalspurige Einsitzer-Fahrzeuge (bzw. 1+1-Sitzer) freizugeben. Derartige Fahrzeuge weisen einen geringen Luftwiderstand auf. Zusammen mit ihrem geringen Gewicht eignen sie sich als umweltfreundliche Fortbewegungsmittel.
Es gibt bereits einige Einsitzer-Fahrzeuge, mit und ohne Neigetechnik. Die Fahrzeuge ohne Neigetechnik sind jedoch nicht besonders schmal, da eine gewisse Spurbreite gegeben sein muss, damit das Fahrzeug bei Kurvenfahrt nicht kippt. Andere Fahrzeuge weisen bereits eine Neigetechnik auf und unterscheiden sich bspw. in der Anzahl der Räder. So gibt es dreirädrige Fahrzeuge, die sich in die Kurve hineinlegen, wodurch die Spurbreite nicht mehr der entscheidende Breitenfaktor ist. Dadurch können solche Fahrzeuge deutlich schmaler ausgestaltet werden als die Fahrzeuge ohne Neigetechnik.
Es existieren bereits auch Fahrzeuge mit vier Rädern, die ebenfalls eine Neigetechnik aufweisen. Bei den Fahrzeugen mit Neigetechnik werden bei der Kurvenfahrt die Räder mitgeneigt. Aus diesem Grund müssen sie zwangsläufig mit gewölbten Motorradreifen ausgestattet sein. Solche Reifen bilden jedoch grundsätzlich kleinere Radaufstandsflächen, d.h. kleinere Kontaktflächen mit der Fahrbahn, über welche die Energie auf den Boden übertragen werden muss.
Die DE 10 2013 223 981 A1 offenbart eine Fahrzeugachskonstruktion zur aktiven Fahrzeugneigung bei Kurvenfahrt. Diese Fahrzeugachskonstruktion betrifft ein mehrspuriges Fahrzeug, mit einem zwischen zwei Rädern befindlichen Lagerkörper, an dem pro Rad ein unterer Querlenker und ein oberer Querlenker gelenkig angebunden ist, wobei ein Lenkgetriebe am Lagerkörper befestigt ist und über einen Lenkstock aktivierbar ist, wobei ein Achsrahmen am Lagerkörper angebracht ist und der obere Querlenker gelenkig am Achsrahmen angebunden ist.
Bei den bekannten Fahrzeugen mit Neigetechnik entspricht der Neigungswinkel der Karosserie bei einer Kurvenfahrt dem eines Zweirades, also immer dem Winkel des resultierenden Vektors aus Gewichts- und Fliehkraft.
Neigt sich ein Fahrrad in die Kurve, so beschreibt der Schwerpunkt des Fahrers eine Kreisbahn, wobei der Kreisbahnmittelpunkt auf Bodenhöhe liegt. Dies entspricht also der natürlichen Bewegung auf die der Gleichgewichtssinn eines Menschen eingestellt ist.
In einer geschlossenen Karosserie ist die psychologische Wahrnehmung des Neigungswinkels weitaus stärker als z.B. auf einem Fahrrad. So wird von den Fahrern bspw. ein maximaler Neigungswinkel von nur 24° als extrem empfunden.
Aus der Zugtechnik, genauer gesagt aus der ICE-Neigetechnik, ist bereits ein Konzept mit feststehendem Fahrwerk und neigbarer Karosserie bekannt. Dieses weist eine hängend gelagerte Trapezanordnung auf, mit der sich eine kreisbahnähnliche Schwerpunktbahn realisieren lässt. Jedoch stellt sich unter Auslenkung ein zu großer Kabinen-Neigewinkel (bzw. Karosserie-Neigewinkel) ein, so dass diese Technik für (Schmalspur-) Fahrzeuge nur bedingt geeignet ist, da diese Technik nur für kleinere Auslenkwinkel geeignet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern, und insbesondere ein Fahrzeugkonzept mit Neigetechnik bereitzustellen, bei dem die Räder nicht mitgeneigt werden und die Schwerpunktauslenkung vom Neigungswinkel der Fahrgastzelle verschieden sein kann.
Bei einer Neigung von 24° liegt lediglich einer Seitenbeschleunigung von nur 0,45•g vor, da die Neigung dem Winkel des resultierenden Vektors aus der Gewichtskraft und der Fliehkraft entspricht. Bis zu diesem Wert werden bei einer Kurvenfahrt die kurveninneren und die kurvenäußeren Räder gleichmäßig belastet, d.h., in einem Verhältnis von 50/50. Ein Reifen kann jedoch größere Kräfte übertragen, real sind 0,9•g. Da sich hierbei die Karosserie jedoch theoretisch um 42° neigen müsste, aber eine Neigung auf 24° begrenzt ist, kommt es mit einer wachsenden Seitenbeschleunigung auch zu einer zunehmend ungleichen Aufteilung der Radbelastungen. Die kurvenäußeren Räder erfahren etwa 90 % der Aufstandskräfte, während die kurveninneren Räder nur noch 10% der Gesamtkräfte erfahren. Ein Abheben der kurveninneren Räder (=Überschlagen) muss unbedingt vermieden werden. Dieses Verhältnis kann verbessert werden, wenn der Schwerpunkt zwar stärker ausgelenkt wird, aber der einhergehende Neigewinkel zugunsten einer angenehmen Wahrnehmung kleiner ist.
Wenn die Räder nicht mitgeneigt werden, kann das Fahrzeug mit Pkw-Bereifung ausgestattet werden. Eine Schwerpunktauslenkung größer als 30° kann erzielt werden, wobei der Neigungswinkel der Fahrgastzelle kleiner gewählt werden kann. Für die Schwerpunktauslenkung ist eine gedachte Kreisbahn um den Mittelpunkt auf Straßenhöhe entscheidend.
Eine Analogie zur oben erwähnten Forderung von Schwerpunkt-Bahnvorgabe und überlagerter Neigung (Rotation) ist bei Fliehkraftpendeln bekannt. Aus der Kombination der linken und rechten Wälzbahn einer Pendelmasse wird die vorgegebene Pendelbahn des Schwerpunktes sowie deren anteilige Rotation (Neigung) realisiert. Dieses Prinzip kann hier übernommen werden.
Es ist noch anzumerken, dass unter „Auslenkung“ die Bewegung des Schwerpunktes aus der Mittellage entlang der kinematisch erzeugten Bahn dieses Punktes gemeint ist. Die Karosserie kann also theoretisch entlang einer Bahn seitlich ausgelenkt werden, ohne dass sich dabei ein Kippwinkel der Kabine einstellt. Mit „Neigung“ ist der Kippwinkel der Kabine zur Vertikalen gemeint, unabhängig von der Position des Schwerpunktes. So kann z.B. die Kabine in nicht ausgelenkter Mittelposition bereits geneigt sein.
Das Maß der Auslenkung lässt sich also anhand eines Referenzkreises mit einem Radius R und einem Mittelpunkt auf der Straßenhöhe/Fahrbahnhöhe beschreiben. Dabei ist es auch möglich, dass die Schwerpunktbahn anhand dieses Referenzkreises durch die Verlängerung der Winkellinie der Auslenkung beschrieben wird. D.h., dass der Schnittpunkt der Verlängerung der Winkellinie der Auslenkung und der Neigung die Schwerpunktbahn ausbildet.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen Fahrzeug erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Mechanismus so ausgebildet ist, dass die Auslenkung der Fahrgastzelle unabhängig von der Neigung der Fahrgastzelle einstellbar bzw. steuerbar ist. Das bedeutet, dass die Auslenkung der Fahrgastzelle von der Neigung der Fahrgastzelle quasi entkoppelt ist. Vorzugsweise sind die Auslenkung und die Neigung (zumindest betragsmäßig) voneinander verschieden, sie können jedoch auch identisch sein.
Ein solches Fahrzeugkonzept beinhaltet das Potenzial zur größtmöglichen Fahrdynamik. Durch einen solchen Mechanismus kann realisiert werden, dass die Auslenkung der Insassen-Schwerpunktbahn dem eines Motorrades entspricht, aber gleichzeitig eine reduzierte Kabinenneigung vorliegt. Die Räder neigen sich nicht mit, damit keine Sonderbereifung, wie bspw. Motorradreifen, notwendig ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn der Mechanismus ein Getriebe, etwa ein Koppelgetriebe umfasst. Koppelgetriebe zählen zu den ungleichförmig übertragenden Getrieben und ihre Glieder bilden eine kinematische Kette aus. Durch ein solches Getriebe ist es möglich, dass die Auslenkung des Schwerpunktes der Fahrgastzelle und die Neigung der Fahrgastzelle unterschiedlich voneinander sind.
Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn das Getriebe als ein Viergelenkgetriebe ausgebildet ist. Hebelgetriebe bzw. Koppelgetriebe, welche vier Gelenke besitzen, sind dafür bekannt, dass sich durch entsprechende Gestaltung eine Vielzahl von Kurvenbahnen realisieren lässt. Das Viergelenkgetriebe der vorliegenden Erfindung weist hierbei zumindest einen Hauptlenker, einen Stellhebel und ein Kniegelenk auf.
Für das Fahrzeug ist es von Vorteil, wenn die Fahrgastzelle über mindestens zwei Viergelenkgetriebe, weiter bevorzugt über vier Viergelenkgetriebe an dem Fahrgestell angebunden ist. Somit ist bei einem vierrädrigen Fahrzeug pro Rad ein Viergelenkgetriebe vorgesehen. Durch die beidseitige Anbindung mit der Fahrgastzelle agieren die Viergelenke paarweise miteinander, so dass die eigentliche Kinematik der Fahrgastzelle hierdurch zustande kommt. So ist ein Paar am vorderen und ein Paar am hinteren Bereich der Fahrgastzelle platziert. Da Drehgelenke als Befestigungspunkte für die Viergelenke an der Karosserie dienen, kann man die durch die Fahrgastzelle verbundenen Viergelenke auch als ein einziges „Zehngelenk“ (4+4+2) betrachten.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Viergelenkgetriebe an einen Mittelträger des Fahrgestells angebunden ist oder an einer Radaufhängung, enthaltend bspw. einen Querlenker, angebunden ist. Der Mittelträger ist vorzugsweise robust und steif ausgebildet und dient damit als stabiler Anbindungspunkt der Viergelenkgetriebe an das Fahrgestell. Darüber hinaus sind hierbei alle Viergelenkgetriebe an dem gleichen Bauteil angebunden.
Ferner muss dafür gesorgt werden, dass sich die Viergelenkgetriebe (-paare) bzw. die Neigungsgetriebe (-paare) (vorne und hinten) bei Auslenkung synchron bewegen. Daher können auf jeder Seite die vorderen und hinteren Hauptlenker der Viergelenkgetriebe jeweils durch eine Koppelstange zu einem Bauteil verbunden sein. Alternativ kann man auch die Stellhebel und/oder die Kniehebel der Viergelenkgetriebe mit einer Koppelstange versehen.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Auslenkung der Fahrgastzelle eine Kreisbahn um einen (ersten) Drehpunkt beschreibt und die Neigung der Fahrgastzelle eine Kreisbahn um einen (zweiten) Drehpunkt beschreibt, wobei der Drehpunkt der Auslenkung von dem Drehpunkt der Neigung verschieden ist. Dadurch kann realisiert werden, dass die Auslenkung der Fahrgastzelle von der Neigung der Fahrgastzelle verschieden ist.
Weiter ist es von Vorteil, wenn die Drehpunkte symmetrisch zum Fahrgestell angeordnet sind, wobei ein Drehpunkt in der Vertikalrichtung des Fahrgestells höher liegt als der andere Drehpunkt. Vorzugsweise liegt der Drehpunkt für die Schwerpunktauslenkung der Fahrgastzelle höher als der Drehpunkt für die Neigung der Fahrgastzelle. Dadurch ist die Neigung der Fahrgastzelle geringer als die Schwerpunktauslenkung. Alternativ ist es auch denkbar, dass die beiden Drehpunkte in der Vertikalrichtung auf gleicher Höhe angeordnet sind. Unter der Vertikalrichtung ist die senkrechte Richtung zur Breitenrichtung des Fahrgestells zu verstehen.
Für die Drehpunkte ist es von Vorteil, wenn diese so angeordnet sind, dass die Neigung der Fahrgastzelle kleiner bzw. geringer ist als die Auslenkung der Fahrgastzelle. Somit kann die Fahrdynamik erhöht werden, ohne dass sich ein Insasse der Fahrgastzelle aufgrund einer zu extremen Neigung der Fahrgastzelle unwohl fühlt.
Als vorteilhaft herausgestellt hat es sich, wenn ein Verhältnis der Neigung der Fahrgastzelle zur Auslenkung der Fahrgastzelle zwischen 0,4 und 1,0 ist. Weiter ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis der Neigung der Fahrgastzelle zur Auslenkung der Fahrgastzelle etwa 0,7 ist. Dadurch kann dem psychologischen Empfinden des Insassen gerecht werden, da die Kabine so im Verhältnis zur Schwerpunktauslenkung nur maximal 70 % geneigt werden soll.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Auslenkung der Fahrgastzelle über einen Zahneingriff geführt ist, wobei ein Ritzel in ein Zahnblech eingreift. Das Ritzel wird dabei bspw. durch einen Getriebemotor angetrieben und zur Auslenkung der Fahrgastzelle bewegen sich das Ritzel und das Zahnblech relativ zueinander.
Hierfür hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Ritzel von einem E-Motor angetrieben ist und das Zahnblech einen kreisbogenabschnittförmigen Zahnkranz aufweist. Wird das Ritzel angetrieben, läuft es entlang des Zahnkranzes (oder umgekehrt) und dadurch ist die Fahrgastzelle (entsprechend der Form des Zahnkranzes) in einem vorbestimmten Winkelbereich (festgelegt durch die Form des Zahnkranzes) um einen gewünschten Winkel auslenkbar.
Dabei ist es von Vorteil, wenn das Ritzel an der Fahrgastzelle und das Zahnblech an dem Fahrgestell angebracht sind oder wenn das Ritzel an dem Fahrgestell und das Zahnblech an der Fahrgastzelle angebracht sind. Ist das Zahnblech an dem Fahrgestell angebracht, ist dieses in seiner Position fixiert und das Ritzel, welches an der Fahrgastzelle angebracht ist, läuft entlang des Zahnkranzes. Ist das Ritzel an dem Fahrgestell angebracht, ist dieses in seiner Position fixiert und das Zahnblech, welches an der Fahrgastzelle angebracht ist, läuft mit seinem Zahnkranz entlang des Ritzels.
Für das Viergelenk von Vorteil ist es, wenn jedes Viergelenk einen Hauptlenker, einen Stellhebel und einen Kniehebel umfasst. Dabei sind der Hauptlenker und der Stellhebel jeweils derart mit dem Kniehebel verbunden, dass sie jeweils zusammen mit diesem ein Drehgelenk ausbilden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Hauptlenker an seinem einen Ende mit dem Kniehebelgelenk verbunden ist und der Stellhebel an seinem einen Ende ebenfalls mit dem Kniehebel verbunden ist. Ferner ist es von Vorteil, wenn der Kniehebel mit der Fahrgastzelle verbunden ist und Hauptlenker und Stellhebel mit dem jeweiligen anderen Ende am Fahrgestell befestigt sind. Ein Hauptlenker, ein Stellhebel und ein Kniehebel bilden zusammen je ein Viergelenk (bzw. ein Viergelenkgetriebe) aus.
Dabei ist es von Vorteil, wenn alle Verbindungspunkte als Gelenke ausgebildet sind. Im Gegensatz zu denkbaren Schlitten / Rollen, die in vorgegebenen Profilen geführt werden, gelten Lenker mit Drehgelenklagerung als robust und unempfindlich gegen Verschmutzung. Somit weist das Viergelenkgetriebe insgesamt vier Gelenkpunkte auf, über die die Kinematik der Fahrgastzelle gesteuert werden kann. Die vier Gelenkpunkte entsprechen die Verbindungstellen zwischen dem Hauptlenker und dem Kniehebel, dem Stellhebel und dem Kniehebel und den Anbindungspunkten an das Fahrgestell. Durch das Zusammenagieren zweier Viergelenke, bilden die Anbindungspunkte an die Fahrgastzelle streng genommen ein „fünftes“ Gelenk des Viergelenks.
Ferner hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die maximale Auslenkung (des Schwerpunktes) der Fahrgastzelle 30° in beide Richtungen zur Neutralstellung beträgt und die maximale Neigung der Fahrgastzelle 21° in beide Richtungen zur Neutralstellung beträgt.
Mit anderen Worten besteht die Erfindung darin, dass ein neuartiges Fahrzeugkonzept für Schmalspur-Fahrzeuge mit dem Potenzial für größtmögliche Fahrdynamik realisiert wird. Ähnlich wie bei Geländefahrzeugen mit Leiterrahmen und separater Karosserie, kann die Erfindung ein separates Fahrwerk aufweisen, wobei die beiden Achsen über einen Mittelträger miteinander verbunden sind. Das Fahrwerk selbst bildet eine bodenständige Einheit und ist nicht neigbar. Daher können auch Pkw-Reifen verwendet werden. Insbesondere wird die Neigungseinheit hervorgehoben. Diese erlaubt bei Auslenkung die Trennung zwischen Kabinen-Schwerpunktbahnverlauf und dem überlagerten Maß der Kabinenneigung.
Die Erfindung ist vorzugsweise für die Fahrzeugklasse EG-Klassifizierung L7e geeignet. Das bedeutet, das maximale Leergewicht beträgt 400 kg, bzw. die maximale Motorleistung beträgt 15 kW. Jedoch soll die Erfindung nicht zwangsläufig nur auf ein Schmalspur-Fahrzeug begrenzt sein.
Das bedeutet, dass die vorliegende Erfindung darin besteht, dass eine gängige Radaufhängung sowie die Verwendung von Pkw-Bereifung vorgesehen sind. Ein solches Konzept eines Schmalspur-Fahrzeugs ist daher für höhere Geschwindigkeiten geeignet und stellt somit in diesem Fahrzeugsegment eine High-end-Lösung dar. Das Konzept sieht vor, dass Vorder- und Hinterachse durch einen Mittelträger verbunden sind und zusammen die Fahrwerkeinheit bilden. Je nach Antriebskonzept bietet es sich an, den Mittelträger als großzügiges Hohlprofil auszuführen, welches dann als Batteriefach oder Kraftstofftank geeignet ist. Die Fahrwerkeinheit besitzt einen äußerst niedrigen Schwerpunkt und kann für sich allein betrachtet bei Kurvenfahrt trotz schmaler Spurbreite von bspw. 720 mm, nicht umkippen. Hervorgehoben werden soll die neuartige Neigetechnologie. Unter Verwendung zweier Viergelenk-Hebelgetriebe, welche an beiden Seiten des Mittelträgers sowie an der linken und rechten Seite der Fahrgastzelle gelagert sind, können eine Vielzahl an gewünschten Bewegungsformen realisiert werden. Viergelenke besitzen zudem ausschließlich Drehgelenke, welche hinsichtlich Reibung, Verschmutzung und Robustheit ideal sind. Anhand einer Bauraumbetrachtung eines realistischen CAD-Modells ist eine Schwerpunktauslenkung der Insassen von ±30° ohne weiteres umsetzbar. Um dem psychologischen Empfinden des Insassen gerecht zu werden, wurde dabei festgelegt, dass die Kabine im Verhältnis zur Schwerpunktauslenkung nur 70 % geneigt werden soll. Bei 30° Schwerpunktauslenkung wird also die Kabine nur maximal 21 % geneigt.
Man kann also auch sagen, dass ein Fahrzeug mit einer Schwerpunktauslenkung und Neigungswinkel der Fahrgastzelle bereitgestellt wird. Der Neigungswinkel ist dabei kleiner als die Schwerpunktauslenkung. Hierdurch können schmalere Wagen schneller fahren und ein angenehmeres Fahrgefühl für den Fahrer erzeugen. Das Fahrwerk wird dabei über einen Neigeaktuator so betätigt, dass die Fahrgastzelle ggf. vor einer Kurvenfahrt geneigt und ausgelenkt wird. Die Fahrgastzelle kann über paarweise gekoppelte Viergelenke als Neigegetriebe vorne und hinten geneigt und verschwenkt werden. Der Neigeaktor weist dafür einen Getriebeaktor auf, der mit einem entsprechend profilierten Zahnblech gekoppelt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Figuren näher erläutert, in denen unterschiedliche Ausführungsformen dargestellt sind. Es zeigen:

1 ein Schmalspur-Fahrzeug in einer ersten beispielhaften Ausführungsform in der Neutralstellung;
2 das Schmalspur-Fahrzeug der ersten Ausführungsform in einer ausgelenkten Position;
3 das Schmalspur-Fahrzeug der ersten Ausführungsform in der maximal ausgelenkten Position;
4 eine Neigungseinheit mit zwei gekoppelten Viergelenken;
5 eine Ansicht des Neigeaktuators im ausgelenkten Zustand der Fahrgastzelle;
6 eine Ansicht des Neigeaktuators in der Neutralstellung der Fahrgastzelle;
7 eine Darstellung des Mechanismus mit einer Führungsrolle zur Abstützung von Längskräften;
8 eine perspektivische Darstellung der einzelnen Bauteile eines Viergelenks;
9 eine zweite beispielhafte Ausführungsform des Mechanismus;
10 die zweite beispielhafte Ausführungsform als Achsmodul mit massiven Lenkern als Prinzipdarstellung in perspektivischer Darstellung;
11 die zweite Ausführungsform in einer Ansicht von vorne in der Neutralstellung;
12 die zweite Ausführungsform in einer Ansicht von vorne in einer ausgelenkten und verschwenkten Position; und
13 bis 18 verschiedene Ansichten eines beispielhaften Grunddesigns eines erfindungsgemäßen Schmalspur-Fahrzeugs.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch in anderen Ausführungsbeispielen realisiert werden. Sie sind also untereinander austauschbar.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1, welches vorzugsweise als ein Schmalspur-Fahrzeug ausgebildet ist, in der nicht ausgelenkten und nicht geneigten Stellung, die auch als Neutralstellung bezeichnet wird. Das Fahrzeug 1 weist ein Fahrgestell 2 und eine Fahrgastzelle 3 auf. Das Fahrgestell 2 und die Fahrgastzelle 3 sind über einen Mechanismus 4 derart miteinander verbunden, dass sich die Fahrgastzelle 3 gegenüber dem Fahrgestell 2 neigen und auslenken lässt. Das Fahrgestell 2 entspricht hierbei einer gängigen Radaufhängung mit Pkw-Bereifung, bei der sich die Räder bei einer Kurvenfahrt nicht neigen. Der Mechanismus 4 ist an einem Ende an einem Mittelträger 5 befestigt, der wiederum mit dem Fahrgestell 2 verbunden ist, und an einem anderen Ende an der Fahrgastzelle 3 befestigt.
Ferner sind in dieser Ansicht die Symmetrieachse bzw. Mittelachse A des Fahrzeugs 1 sowie der Schwerpunkt S des Fahrzeugs 1 dargestellt. Zusätzlich sind der Radkastenverlauf 6, eine Schwerpunktbahn 7 sowie die Bewegungsbahnen 8, 9 der Anbindungspunkte 10, 11 des Mechanismus 4 an der Fahrgastzelle 3 abgebildet.
2 zeigt das Fahrzeug 1 der ersten beispielhaften Ausführungsform in einem ausgelenkten und geneigten Zustand der Fahrgastzelle 3. Hierbei wird die Neigung mit dem Winkel α und die Schwerpunktauslenkung mit dem Winkel β angegeben. Neben der Symmetrieachse A des Fahrzeugs 1 ist auch die Neutralstellung, wie in 1 gezeigt, mit Hilfe der Achse N angegeben. Relativ zu dieser Position wird die Auslenkung und die Neigung über die entsprechenden Winkel β bzw. α angegeben. Hierbei ist zu erkennen, dass sich der Schwerpunkt S um einen Drehpunkt 12 dreht, der auf der Achse N liegt und auf Bodenhöhe bzw. Straßenniveau angeordnet ist. Die Neigung der Fahrgastzelle 3 weist einen separaten Drehpunkt 13 auf, welcher ebenfalls auf der Achse N liegt, jedoch unterhalb des Straßenniveaus angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, dass die Neigung der Fahrgastzelle 3 kleiner ist als die Auslenkung des Schwerpunktes S des Fahrzeugs 1. Die Achse N entspricht hierbei der Vertikalrichtung des Fahrgestells 2.
3 zeigt das Fahrzeug 1 in der maximal ausgelenkten bzw. geneigten Position der Fahrgastzelle 3 gegenüber dem Fahrgestell 2 in eine Richtung. Diese Maximalposition der Fahrgastzelle 3 entspricht einer Auslenkung der Fahrgastzelle 3 von β = 30° und einer Neigung der Fahrgastzelle 3 von α = 21°.
In den 1 bis 3 ebenfalls gut zu erkennen ist, dass der Mechanismus 4 aus mehreren Viergelenken 14 aufgebaut ist, je Rad wird ein Viergelenk 14 benötigt. Daher sind in den 1 bis 3 zwei Viergelenke 14 abgebildet. Insgesamt weist das Fahrzeug 1 vier Viergelenke 14 auf. Ein Viergelenk 14 weist einen Hauptlenker 15, einen Stellhebel 16 sowie einen Kniehebel 17 auf (siehe auch 4 und 8).
Die hier dargestellte Konstellation gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform erweist sich als besonders vorteilhaft, um den Mechanismus 4 außerhalb der direkten Crash-Zone zu platzieren. Der Mittelträger 5, welcher hier als ein, vorzugsweise hohles Rechteckprofil 18 ausgebildet ist, verbindet Vorder- und Hinterachse 19, 20 (siehe bspw. 16, 18) und bietet Anbindungspunkte 21, 22 für den Hauptlenker 15 und den Stellhebel 16 (siehe 3). Das bedeutet, dass die Viergelenke 14 über den jeweiligen Anbindungspunkt 21 bzw. 22 an dem Mittelträger 5 angebracht sind und somit an dem Fahrgestell 2 angebunden sind.
Die Anordnung des Mechanismus 4 ermöglicht problemlos Schwerpunktauslenkungen von über 30°. Hierbei gilt grundsätzlich: je kürzer die Ausführungen der Hauptlenker 15 (auch als Neigungslenker bezeichnet) umso stärker ist die Abweichung der erzeugten Kurvenbahn von der Ideallinie. Eine gewisse Länge der Hauptlenker 15 bzw. der Stellhebel 16 ist also notwendig.
Aufgrund der Kinematik der Fahrgastzelle 3 kann der Mittelträger 5 aus einem einzigen, großzügigen, mittig verlaufenden Hohlprofil bestehen. Dadurch eignet sich der Mittelträger 5 bspw. zur Unterbringung eines Akkus (nicht gezeigt), sowie der gesamten Leistungselektronik (nicht gezeigt). Dabei ist der Mittelträger 5 so ausgebildet, dass ein normaler Lithium-Ionen-Akku mit ca. 10 kW/h dort Platz findet. Bei einer konstanten Geschwindigkeit von 75 km/h reicht dies für eine Strecke von 130 km. Dadurch wird ein tiefer Schwerpunkt des Fahrgestells 2 erreicht, welcher fahrdynamisch äußerst günstig ist. Zudem werden keine flexiblen Stromkabel vom Akku zur E-Maschine bzw. zum E-Motor benötigt. Entsprechend wird auch das Gewicht der Fahrgastzelle 3 gering ausfallen. Die Kombination von leichter, trägheitsarmer Fahrgastzelle 3 und verhältnismäßig schwerem Fahrgestell 2 ermöglicht höchste Dynamik der Fahrzeugneigung, was einen wichtigen Sicherheitsaspekt darstellt, damit Ausweichmanöver möglichst schnell umgesetzt werden können. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das Fahrwerk mit mindestens einem Stabilisator ausgestattet ist, da ein schnelles Auslenken eine dementsprechend hohe Steifigkeit der Fahrwerkfeder um die Längsachse erfordert.
Der Mechanismus 4 des Fahrzeuges 1 umfasst vier Getriebe 23, die vorzugsweise als Koppelgetriebe 24 ausgebildet sind. In der hier gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform sind die Getriebe 23 als Viergelenkgetriebe 25 ausgebildet (siehe 4), wovon jedes im Wesentlichen aus einem Viergelenk 14 ausgebildet ist.
Die Viergelenkgetriebe 25 agieren immer paarweise miteinander. So sind ein Paar am vorderen und ein Paar am hinteren Bereich der Fahrgastzelle 3 platziert. Das bedeutet, das Paar am vorderen Bereich der Fahrgastzelle 3 entspricht den zwei Viergelenkgetrieben 25 an der Vorderachse 19 und das Paar am hinteren Bereich der Fahrgastzelle 3 entspricht den zwei Viergelenkgetrieben 25 an der Hinterachse 20 des Fahrzeugs 1 (siehe z.B. 18).
Ferner muss sichergestellt sein, dass sich beide Getriebepaare bei Auslenkung der Fahrgastzelle 3 synchron bewegen. Daher sind auf jeder Seite des Fahrzeugs 1 (siehe 18) die vorderen und hinteren Hauptlenker 15 jeweils durch eine Koppelstange 26, wie in 4 gezeigt, miteinander verbunden. Alternativ ist es auch denkbar, die Stellhebel 16 und/oder die Kniehebel 17 mit einer Koppelstange zu versehen.
Diese erste beispielhafte Ausführungsform setzt voraus, dass der Mechanismus 4, insbesondere die Hauptlenker 15, auch alle auftretenden Längskräfte übertragen müssen, welche bspw. durch Bremsen und Beschleunigen eingeleitet werden. Auch leichte Parkrempler sollten unbeschadet abgefangen werden können. Entsprechend massiv und torsionssteif muss der Mechanismus 4 bzw. die Hauptlenker 15 gestaltet werden. Um die Kosten möglichst gering zu halten, ist eine Konstruktion vorgesehen, mit der sämtliche auftretenden Längskräfte von einem separaten Element an anderer Stelle übertragen werden, z.B. durch Einsatz von Führungsrollen, wie in 7 dargestellt, worauf zu einem späteren Zeitpunkt noch im Detail eingegangen wird.
5 und 6 zeigen einen Neigeaktuator 27. Die Neigung wird in der hier gezeigten Ausführungsform mit Hilfe eines Getriebemotors 28 realisiert. Der Getriebemotor 28 ist dabei an der Fahrgastzelle 3 angebunden und kämmt mit einem Ritzel 29 in einem an dem Fahrgestell 2 bzw. an dem Mittelträger 5 befestigten Zahnblech 30. Das Zahnblech 30 ist hierbei kreisbogenabschnittsförmig ausgebildet. 5 zeigt hierbei die Position im maximal ausgelenkten bzw. geneigten Zustand und 6 zeigt die Position der Fahrgastzelle 3 in der Neutralstellung. Der Mechanismus 4 beinhaltet sowohl den Neigeaktuator 27 als auch die Viergelenkgetriebe 25.
Natürlich lässt sich die Anordnung auch vertauschen, das bedeutet, der Getriebemotor 28 ist am Mittelträger 5 befestigt und das Zahnblech 30 ist an die Fahrgastzelle 3 angebunden. Die hier gezeigte Anordnung (oder ihre Umkehrung) hat den Nachteil, dass die Toleranzkette (und die Toleranzen selbst) der Verzahnung über die Lenker äußerst groß ist, wodurch eine solche Verzahnung mit einem großen Spiel ausgeführt werden müsste. Daher sind auch Alternativen wie Kettentrieb- oder Spindelaktuator-Lösungen denkbar. Diese sind zwar etwas aufwändiger, doch vor allem eine Spindelaktuator-Lösung hat den Vorteil, dass sie weitestgehend unabhängig von den Toleranzen der anderen Komponenten ist. Betrachtet man den Spindelaktuator als eine Stange, die sich längen und verkürzen kann, so würde diese z.B. an ihrem ersten Ende mit dem Fahrgestell 2 und an ihrem zweiten Ende mit der Fahrgastzelle 3 (jeweils über ein Drehgelenk) angebunden sein.
Bei sehr leichten Fahrzeugen ist es theoretisch sogar denkbar, dass das Fahrzeug keine elektrischen Aktuatoren besitzt. Stattdessen könnten für den Fahrer z.B. zwei Fußpedale eingebaut sein, welche über Kette oder Seilzug mit dem Mittelträger 5 verbunden sind.
7 zeigt, wie bereits vorstehend erwähnt, eine prinzipielle Anordnung zur Übertragung von Längskräften. Diese Lösung bietet sich an, da in der hier gezeigten beispielhaften ersten Ausführungsform des Fahrzeugs 1 das Zahnblech 30 vorgesehen ist, und sich zusätzlich zur Aufnahme von Längskräften der Fahrgastzelle 3 verwenden lässt. Dabei dient das Zahnblech 30 als ein Führungsblech 31 für mindestens eine Führungsrolle 32, die alternativ auch als Schlitten ausgebildet sein kann. Bei Auslenkung rollt die Führungsrolle 32 an dem Führungsblech 31 ab.
In 7 ist ein weiteres Führungsblech 33 vorgesehen, um die Genauigkeit der Führung der Führungsrolle 32 zu erhöhen. In 7 ist auch zu erkennen, dass der Getriebemotor 28 über einen Aktorflansch 34 mit der Fahrgastzelle 3 verbunden ist. Zur Übertragung der Längskräfte sind jedoch auch andere Umsetzungsmöglichkeiten denkbar.
8 zeigt die einzelnen Komponenten eines Viergelenks 14, wie es für die Viergelenkgetriebe 25 verwendet wird. Ein solches Viergelenk weist, wie bereits vorstehend erwähnt, den Hauptlenker 15, den Stellhebel 16 und den Kniehebel 17 auf. Der Hauptlenker 15 und der Stellhebel 16 sind mit dem Kniehebel 17 derart verbunden, dass sie jeweils ein Drehgelenk ausbilden. Der Kniehebel 17 dient zur Anbindung an die Fahrgastzelle 3 an den Anbindungspunkten 10 bzw. 11. Der Hauptlenker 15 und der Stellhebel 16 sind in der ersten Ausführungsform an der Koppelstange 26 (siehe 4) angebracht, wodurch die Koppelstange 26 die Anbindungspunkte 21 bzw. 22 an das Fahrgestell 2 darstellt.
Die 9 bis 12 zeigen eine zweite beispielhafte Ausführungsform, bei der kein Mittelträger 5 notwendig ist. Das bedeutet, jedes Rad 35 bzw. jede Radachse ist mit einem Viergelenkgetriebe 25 ausgestattet, die jeweils mit der Fahrgastzelle 3 verbunden sind. Diese Ausführungsform hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund des Bauraumbedarfs der Räder 35 und deren Einfederung sowie des Lenkeinschlags der Auslenkwinkel β begrenzt ist. Darüber hinaus müssen die Hauptlenker 15 extrem gebogen ausgeführt werden, wodurch massiv gestaltete Hauptlenker 15 notwendig sind (siehe bspw. 9 oder 10). Alternativ ist es auch denkbar, die Hauptlenker 15 so zu verbreitern, dass sie vor bzw. hinter dem Rad 35 eintauchen, wodurch jedoch der Bauraum für die Fahrgastzelle 3 verkleinert wird. Auch ist ein separates Längskräfte-Übertragungselement, wie bspw. in 7 gezeigt, bei dieser Ausführungsform nicht möglich. Daher müssen die Hauptlenker 15 sämtliche Kräfte übertragen. Zudem muss jede Achse bzw. jedes Rad 35 mit einem eigenen Neigeaktuator 27 ausgestattet sein.
In den 10 bis 12 ist der E-Motor mit dem Bezugszeichen 36 versehen und aufgrund des fehlenden Mittelträgers 5 im Bereich der Vorder- bzw. Hinterachse 19, 20 (siehe 18) angeordnet. Aus den Figuren ist gut zu erkennen, dass sowohl der Hauptlenker 15 als auch der Stellhebel 16 mit dem Kniehebel 17 jeweils ein Drehgelenk ausbilden. Die Anbindung an die Fahrgastzelle 3 wird in den 10 bis 12 schematisch über ein U-förmiges Lochblech 37 dargestellt.
Die 13 bis 18 zeigen ein beispielhaftes Grunddesign für ein Schmalspur-Fahrzeug, das als Einsitzer ausgeführt ist. 13 zeigt hierbei das Fahrzeug 1 in seiner Neutralstellung, wobei im Bereich des Fahrgestells 2 der Mittelträger 5 durch eine Achsverkleidung 38 verdeckt ist. Durch die Achsverkleidung 38 sind der E-Motor, Federn, Dämpfer sowie die Leistungselektronik verkleidet und daher nicht sichtbar.
14 zeigt das Fahrzeug 1 in der Position der maximalen Auslenkung bei der der Auslenkwinkel β 30° beträgt und die Neigung der Fahrgastzelle 3 21° beträgt. 15 zeigt das Fahrzeug 1 in einer perspektivischen Darstellung im ausgelenkten Zustand von hinten wohingegen 16 das Fahrzeug 1 im ausgelenkten Zustand von vorne zeigt.
17 zeigt eine perspektivische Darstellung des Fahrzeugs 1 von unten, wohingegen 18 die Ansicht (direkt) von unten darstellt. In 17 ist die Position der Koppelstange 26 seitlich des Mittelträgers 5 gut zu erkennen, wobei die Koppelstange 26, wie bereits vorstehend beschrieben, zur Synchronisation zwischen dem vorderen und dem hinteren Viergelenkgetriebepaar dient.
Grundsätzlich können mit den hier gezeigten Ausführungsformen des Fahrzeugs 1 zwei Strategien umgesetzt werden, abhängig von der Gewichtsklasse des Fahrzeugs 1: Zum einen kann der Fahrer das Fahrzeug 1 selbst lenken und neigen, wie bei einem Motorrad. Dabei erfolgt das Neigen durch Gewichtsverlagerung, bspw. durch aktive Oberkörperbewegung des Fahrers. Hierfür sind reibungsarme, kugelgelagerte Drehgelenke der Hauptlenker 15 notwendig. Es ist eine mechanische Lenkverbindung umsetzbar und theoretisch sind keine motorunterstützten Neigeaktuatoren 27 erforderlich. Der Fahrer kann die Neigung und Auslenkung z.B. durch zwei mechanisch gekoppelte Fußpedale selbst ausführen. Hierbei entsteht das natürlichste Fahrgefühl, da der Fahrer jede Bewegung selbst steuern kann. Jedoch ist kein autonomes Fahren möglich. Diese Strategie eignet sich am besten für ein Kleinstfahrzeug bis 45 km/h, da es für den reinen Stadtbetrieb gedacht wäre und entsprechend geringes Gewicht aufweist.
Alternativ ist die Strategie denkbar, bei der der Fahrer lenkt, ohne selber Balance halten zu müssen. Hierbei ist keine Oberkörperarbeit des Fahrers notwendig, da der Aktor 27 alles übernimmt, wodurch das Fahren für den Fahrer entspannter ist. Bei dieser Strategie ist ein „steer by wire“ jedoch zwingend erforderlich. Aufgrund der schmalen Spurbreite hat die Schwerpunktverlagerung Priorität. Jedoch ist es notwendig, die Lenk- und Neigungslogik zu kombinieren, wodurch diese komplex wird. Eine reibungsarme Kugellagerbestückung der Neigungsgetriebe ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Weiter ermöglicht diese Strategie auch das autonome Fahren zu integrieren. Daher würde man letztere Strategie bei einem Fahrzeugkonzept verfolgen, welches sowohl für die Stadt, aber auch autobahnfähig konzipiert ist.
Allein aus Gründen des Sicherheitsgefühls, da der Fahrer das Fahrzeug nicht aktiv durch die eigene Bewegung neigen muss, wird eine solche Neigestrategie bei einer größeren Personengruppe Zustimmung finden.
Auf die Logik der Neigungssteuerung soll hier nur grob eingegangen werden. Wie bereits erwähnt, muss vor allem bei schnellen Lenksignalen zuerst die Schwerpunktverlagerung der Kabine eingeleitet werden, damit das Fahrzeug nicht kippt. Unmittelbar mit dem Lenksignal des Fahrers beginnt also die Auslenkung der Kabine, ohne dass zunächst die Räder ausgelenkt werden. Da der Insasse dabei eine seitliche Krafteinwirkung verspürt, wird dies vom Insassen bereits als Kurvenfahrt empfunden. Ist ein gewisser Auslenkweg (noch nicht die vollständige Auslenkung) erreicht, kann der Lenkeinschlag der Räder erfolgen. Die Steuerung soll außerdem erkennen, ob und wie stark die Fahrbahn seitlich geneigt ist, um die Kabinenneigung entsprechend zu korrigieren.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Fahrgestell
3: Fahrgastzelle
4: Mechanismus
5: Mittelträger
6: Radkastenverlauf
7: Schwerpunktbahn
8: Bewegungsbahn
9: Bewegungsbahn
10: Anbindungspunkt
11: Anbindungspunkt
12: Drehpunkt
13: Drehpunkt
14: Viergelenk
15: Hauptlenker
16: Stellhebel
17: Kniehebel
18: Rechteckprofil
19: Vorderachse
20: Hinterachse
21: Anbindungspunkt
22: Anbindungspunkt
23: Getriebe
24: Koppelgetriebe
25: Viergelenkgetriebe
26: Koppelstange
27: Neigeaktuator
28: Getriebemotor
29: Ritzel
30: Zahnblech
31: Führungsblech
32: Führungsrolle
33: Führungsblech
34: Aktorflansch
35: Rad
36: E-Motor
37: Lochblech
38: Achsverkleidung
α: Neigung(-swinkel)
β: Auslenkung(-swinkel)
A: Symmetrie- / Mittelachse
S: Schwerpunkt
N: Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013223981 A1 [0005]

Claims

Fahrzeug (1), mit einem Fahrgestell (2), auf dem eine Fahrgastzelle (3) zum Aufnehmen eines Fahrers und/oder eines Passagiers angeordnet ist, wobei die Fahrgastzelle (3) über einen Mechanismus (4) derart mit dem Fahrgestell (2) verbunden ist, dass sich bei Verlagerung der Fahrgastzelle (3) über den Mechanismus (4) die Neigung (α) und/oder die Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3) relativ zum Fahrgestell (2) verändert, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus (4) so ausgebildet ist, dass die Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3) unabhängig von der Neigung (α) der Fahrgastzelle (3) einstellbar ist.
Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus (4) ein Getriebe (23) umfasst.
Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (23) als ein Viergelenkgetriebe (25) ausgebildet ist.
Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrgastzelle (3) über mindestens zwei Viergelenkgetriebe (25) an dem Fahrgestell (2) angebunden ist.
Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Viergelenkgetriebe (25) an einem Mittelträger (5) des Fahrgestells (2) angebunden ist oder an einer Radaufhängung angebunden ist.
Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3) eine Kreisbahn (7) um einen Drehpunkt (12) beschreibt und die Neigung (α) der Fahrgastzelle (3) eine Kreisbahn um einen Drehpunkt (13) beschreibt, wobei der Drehpunkt (12) der Auslenkung (β) von dem Drehpunkt (13) der Neigung (α) verschieden ist.
Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehpunkte (12, 13) symmetrisch zum Fahrgestell (2) angeordnet sind, wobei ein Drehpunkt (12) in der Vertikalrichtung des Fahrgestells (2) höher liegt als der andere Drehpunkt (13).
Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehpunkte (12, 13) so angeordnet sind, dass die Neigung (α) der Fahrgastzelle (3) kleiner ist als die Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3).
Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Verhältnis der Neigung (α) der Fahrgastzelle (3) zur Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3) zwischen 0,4 und 1,0 ist.
Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3) über einen Zahneingriff geführt wird, wobei ein Ritzel (29) in ein Zahnblech (30) eingreift, oder dass die Auslenkung (β) der Fahrgastzelle (3) über einen Spindelaktuator geführt wird.