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Die Erfindung betrifft einen Hilfsrahmen für ein Fahrzeug, umfassend zumindest einen Lagersitz mit einem darin angeordneten Elastomerlager.
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Hilfsrahmen für Kraftfahrzeuge, die auch als Achsträger bezeichnet werden, sind allgemein bekannt und werden mit der Karosserie über entsprechende Anbindungsstellen verschraubt. Am Hilfsrahmen sind aufbauseitigen Anlenkpunkte der Radaufhängungen befestigt. Der Hilfsrahmen kann starr mit der Karosserie als Integralträger verschraubt oder über elastische Lager mit der Karosserie verbunden sein. Bei Verwendung von elastischen Lagern werden weniger Vibrationen und Geräusche vom Fahrwerk und gegebenenfalls vom Motor auf die Karosserie übertragen, wodurch der Fahrkomfort gesteigert wird. Hilfsrahmen können sowohl im Bereich von Vorderachsen als auch im Bereich von Hinterachsen von Kraftfahrzeugen verwendet werden.
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Aus der
EP 1 386 827 A2 geht ein Hilfsrahmen für ein Kraftfahrzeug hervor. Der Hilfsrahmen besteht aus zwei Längsträgern und zwei Querträgern, die über Dämpfer mit der Fahrzeugstruktur verbunden sind. Der Hilfsrahmen trägt das Lenkgetriebe und den Motor und hat Radaufhängungsaufnahmen. Da der Hilfsrahmen sowohl mit der Radaufhängung als auch mit dem Motor verbunden ist, werden jegliche Stöße und Schwingungen über Dämpfer an die Karosserie weitergegeben, wobei die Dämpfer dazu eingerichtet sind, die Stöße und Schwingungen im Fahrgastbereich zu minimieren.
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Ferner geht aus der
DE 10 2016 215 467 A1 eine zwischen mindestens zwei Steifigkeitsstufen schaltbare Lagerbuchse für ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs hervor. Die Lagerbuchse umfasst einen Bolzen und einen Grundkörper sowie ein radial dazwischen angeordnetes Elastomerelement zur dämpfenden Lagerung des Bolzens im Grundkörper.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Hilfsrahmen für ein Kraftfahrzeug derart weiterzuentwickeln, dass insbesondere der Fahrkomfort erhöht und die Fahrsicherheit sowie das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs verbessert werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßer Hilfsrahmen für ein Kraftfahrzeug umfasst zumindest einen Lagersitz mit einem darin angeordneten Elastomerlager, wobei der Hilfsrahmen mittelbar über das Elastomerlager an einer Karosserie des Kraftfahrzeugs befestigt ist, wobei das Elastomerlager zumindest zwischen zwei Steifigkeitsstufen schaltbar ist, wobei das Elastomerlager einen Grundkörper und einen koaxial innerhalb des Grundkörpers angeordneten Bolzen aufweist, wobei zwischen Grundkörper und Bolzen ein elastischer Körper angeordnet ist, und wobei das Elastomerlager durch einen Aktuator zumindest zwischen zwei Steifigkeitsstufen schaltbar ist. Der Bolzen kann auch hohl ausgebildet sein und somit im Wesentlichen eine Hülsenform aufweisen.
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Unter einem Hilfsrahmen ist eine Anordnung von Elementen, insbesondere Stangen und/oder Rohren zu verstehen, die kraftschlüssig, stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind. Beispielsweise weist der Hilfsrahmen zumindest vier Schenkel und zumindest vier Lagersitze mit jeweils einem darin angeordneten Elastomerlager auf. Insbesondere können die Schenkel mehrteilig oder einteilig miteinander verbunden sein, wobei die Schenkel des Hilfsrahmens beispielsweise eine Viereckform oder Trapezform bilden.
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Unter einem Lagersitz ist eine Aufnahme für das Elastomerlager am Hilfsrahmen zu verstehen, die dazu eingerichtet ist, das Elastomerlager kraftschlüssig, stoffschlüssig und/oder formschlüssig aufzunehmen. Mithin ist das mindestens eine Elastomerlager in bzw. an dem mindestens einen Lagersitz angeordnet sowie fest damit verbunden. Beispielsweise kann der Grundkörper des Elastomerlagers einteilig oder mehrteilig mit dem Lagersitz verbunden sein.
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Vorzugsweise sind Stellelemente zur Stauchung des elastischen Körpers an mindestens einem ringförmigen Verbindungselement angeordnet, wobei das mindestens eine Verbindungselement mit einem Aktuator wirkverbunden ist, wobei der Aktuator dazu eingerichtet ist das mindestens eine Verbindungselement in seiner radialen Erstreckung zumindest zwischen zwei Radien zu variieren, wobei die Stellelemente dazu eingerichtet sind, sich innerhalb von radialen Führungen im Grundkörper zusammen mit dem mindestens einen Verbindungselement zumindest zwischen den beiden Radien zu verlagern.
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Das Elastomerlager ist zwischen mindestens zwei Steifigkeitsstufen schaltbar, wobei der Aktuator die mindestens zwei Steifigkeitsstufen über das mindestens eine Verbindungselement und die Stellelemente, welche auf den elastischen Körper einwirken, schaltet. Mit anderen Worten ist der elastische Körper radial um den Bolzen ausgebildet und kommt radial an den Stellelementen, die im Grundkörper geführt sind, zur Anlage. Insbesondere sind die Stellelemente über eine Kontur im Grundkörper gegen Herausfallen gesichert. Der elastische Körper ist zumindest teilweise aus einem Elastomerwerkstoff ausgebildet. Zumindest der Bolzen und der Grundkörper sind insbesondere aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet.
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In einem ersten Schaltzustand des Elastomerlagers liegt der elastische Körper lediglich an den Stellelementen an, ohne dabei gestaucht zu werden. Bei einer Belastung der Lagerbuchse verschiebt sich der Bolzen relativ zum Grundkörper, wobei der elastische Körper einen maximalen Verformungspuffer aufweist. Dadurch wird eine geringe Steifigkeit des Elastomerlagers realisiert, wobei der Hilfsrahmen ein komfortables Fahren unterstützt. In einem zweiten Schaltzustand des Elastomerlagers wird der elastische Körper von den Stellelementen radial gestaucht. Bei einer Belastung des Elastomerlagers verschiebt sich der Bolzen aufgrund des minimalen Verformungspuffers des elastischen Körpers nur noch gering relativ zum Grundkörper. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit des Elastomerlagers realisiert, wobei ein sportliches Fahren unterstützt wird. Das mindestens eine ringförmige Verbindungselement kommt sowohl im ersten als auch im zweiten Schaltzustand radial außen an allen Stellelementen zur Anlage. Mithin befinden sich die Stellelemente an einem Innenumfang des mindestens einen Verbindungselements.
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Vorzugsweise ist das mindestens eine Verbindungselement als umlaufender Draht oder flexibler Ring ausgebildet. Insbesondere sind zwei Verbindungselemente vorgesehen, wobei die beiden Verbindungselemente elastisch ausgebildet und identisch, jedoch axial voneinander beabstandet am Grundkörper angeordnet sind. Insbesondere sind die beiden Verbindungselemente stirnseitig an dem Grundkörper angeordnet oder über Ausnehmungen im Grundkörper integriert.
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Insbesondere umfasst der Aktuator eine Antriebseinheit und eine im Grundkörper drehbar gelagerte Rolle, wobei sich das mindestens eine Verbindungselement zumindest teilweise durch eine radiale Durchgangsbohrung in der Rolle erstreckt. Bevorzugt ist das mindestens eine Verbindungselement zumindest teilweise an einer Außenumfangsfläche der Rolle aufwickelbar. Mit anderen Worten wird das mindestens eine Verbindungselement zumindest teilweise an der Außenumfangsfläche der Rolle aufgewickelt. Durch Aufwicklung des mindestens einen Verbindungselements auf der Rolle, reduziert sich die Länge des Verbindungselements und damit einhergehend reduziert sich auch der Radius bzw. Durchmesser des von dem mindestens einen Verbindungselement umspannten Bereichs. Insbesondere werden zwei Verbindungselemente über die Rolle gemeinsam sowie gleichzeitig betätigt, wobei sich ein Durchmesser eines jeweiligen Kreises, der durch den jeweiligen um die Stellelemente radial von außen herumgeführten Verbindungselement gebildet ist, bei einer Betätigung der Rolle ausgehend von einem maximalen Durchmesser des Kreises verringert. Das mindestens eine Verbindungselement wird durch die Rolle betätigt, indem die Rolle eine Rotationsbewegung ausführt. Die Rotationsbewegung der Rolle verringert den Durchmesser des mindestens einen Verbindungselements.
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Beispielsweise ist der Aktuator mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs signalübertragend verbunden, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, die Steifigkeit des mindestens einen Elastomerlagers über den Aktuator zumindest zwischen den beiden Steifigkeitsstufen einzustellen. Besonders bevorzugt erhält das Steuergerät als Eingangsgröße fahrdynamische Größen, beispielsweise eine Fahrzeuggeschwindigkeit, einen Lenkradwinkel und/oder eine Lenkradwinkelgeschwindigkeit, und variiert in Abhängigkeit dieser Größen die Steifigkeit des mindestens einen Elastomerlagers. Anhand dieser Daten wird der Aktuator angesteuert, um das Elastomerlager entsprechend der Fahrsituation in seiner Steifigkeit optimal anzupassen. Auf gerader Strecke kann der Fahrkomfort durch entsprechend mehr Dämpfung erhöht werden, wobei in Kurvenfahrten die Fahreigenschaften und die Fahrsicherheit durch entsprechend reduzierter Dämpfung verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Antriebseinheit mit der Rolle wirkverbunden, wobei die Antriebseinheit zumindest einen Elektromotor und ein Getriebe umfasst. Unter einer Wirkverbindung ist entweder eine unmittelbare oder zumindest mittelbare Verbindung zwischen zwei Elementen zu verstehen. Mithin können die beiden miteinander wirkverbundenen Elemente entweder direkt oder über weitere Elemente miteinander verbunden sein. Beispielsweise ist der Elektromotor über das Getriebe mit der Rolle verbunden, wobei das Getriebe ein Schneckenrad und eine Schnecke umfasst. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Antriebseinheit einen Elektromotor, der unmittelbar mit der Rolle verbunden ist. Sofern ein Getriebe zwischen dem Elektromotor und der Rolle entfällt, könnte ein stärkerer Elektromotor vorteilhaft sein, um die fehlende Übersetzung durch ein erhöhtes Motordrehmoment auszugleichen.
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Bevorzugt ist der elastische Körper sternförmig ausgebildet und umfasst mindestens drei Arme, wobei jeweils ein Arm zumindest teilweise in jeweils einer Führung im Grundkörper angeordnet ist. Mithin ist durch die Sternform des elastischen Körpers und der dieser folgenden Führungen im Grundkörper eine radiale und axiale Kraftübertragung zwischen Grundkörper und Bolzen über den elastischen Körper möglich. Insbesondere weist der elastische Körper eine Positiv-Kontur auf, wobei der Grundkörper eine im Wesentlichen dazu passende Negativ-Kontur aufweist.
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Vorzugsweise sind an den Stellelementen radial außen liegend Aussparungen angeordnet, wobei die Aussparungen dazu eingerichtet sind, eine Führung für das mindestens eine Verbindungselement auszubilden. Insbesondere sind die Aussparungen nutförmig in eine radial nach außen gerichtete Fläche der Stellelemente ausgebildet und im Wesentlichen komplementär zu dem mindestens einen Verbindungselement geformt.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der fünf Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hilfsrahmens für ein Kraftfahrzeug, wobei der Hilfsrahmen vier Lagersitze und vier Elastomerlager aufweist,
- 2 eine teilweise stark schematische Frontansicht zur Veranschaulichung des Elastomerlagers gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei das Elastomerlager einen ersten Schaltzustand aufweist,
- 3 eine schematische Seitenansicht zur Veranschaulichung des Elastomerlagers gemäß der ersten Ausführungsform,
- 4 eine teilweise stark schematische Frontansicht zur Veranschaulichung des Elastomerlagers gemäß der ersten Ausführungsform, wobei das Elastomerlager einen zweiten Schaltzustand aufweist, und
- 5 eine teilweise stark schematische Frontansicht zur Veranschaulichung des Elastomerlagers gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Gemäß 1 umfasst ein erfindungsgemäßer Hilfsrahmen 1 für ein - hier nicht dargestelltes - Kraftfahrzeug einen ersten, zweiten, dritten und vierten Schenkel 21a-21d sowie vier Lagersitze 2. Vorliegend sind jeweils zwei Lagersitze 2 am ersten und dritten Schenkel 21a, 21c ausgebildet. Die vier Schenkel 21a-21d bilden im Wesentlichen eine Trapezform aus. Vorliegend sind die Schenkel 21a-21d stoffschlüssig miteinander verbunden und bilden so den Hilfsrahmen 1 aus. Die Lagersitze 2 sind in Form von Hohlzylindern ausgebildet, wobei in jedem Lagersitzen 2 ein Elastomerlager 3 angeordnet ist. Der Hilfsrahmen 1 wird mittelbar über die vier Elastomerlager 3 an einer Karosserie des Kraftfahrzeugs befestigt. Die Verwendung des Hilfsrahmens 1 zur Aufnahme der Elastomerlager 3 bietet diverse Vorteile. Beispielsweise ergibt sich der Vorteil, dass der Hilfsrahmen 1 gegenüber einer Unterbringung der Elastomerlager 3 in einem Fahrwerkslenker einen deutlich größeren Bauraum zur Verfügung stellt, der zur Unterbringung weiterer Bauteile, die mit dem Elastomerlager 3 zur Schaltung verwendet werden, dient. Besonders vorteilhaft ist, dass der Hilfsrahmen 1 bereits zu einer gefederten Masse des Kraftfahrzeugs gehört und dadurch die Elastomerlager 3 einfacher realisiert werden können, da keine großen Stöße zu erwarten sind. Stöße und Schwingungen während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs werden bereits durch das Feder-Dämpfer-System des Kraftfahrzeugs, welches Bestandteil des Fahrwerks ist, soweit reduziert, dass die am Lagersitz 2 des Hilfsrahmens 1 aufgenommenen Elastomerlager 3 nicht gegen größere Stöße abgesichert werden müssen.
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Die 2 bis 4 zeigen eines der identisch ausgebildeten Elastomerlager 3 gemäß 1 in unterschiedlichen Ansichten und Stellungen. Das Elastomerlager 3 weist einen Grundkörper 4 und einen koaxial innerhalb des Grundkörpers 4 angeordneten Bolzen 5 auf. Der Grundkörper 4 ist in Form eines Zylinders ausgebildet. Zwischen Grundkörper 4 und Bolzen 5 ist formschlüssig ein elastischer Körper 6, insbesondere ein Elastomerkörper angeordnet. Der elastische Körper 6 ist sternförmig ausgebildet und weist sechs Arme 17 auf. Der Grundkörper 4 folgt dem elastischen Körper 6 zumindest teilweise formschlüssig mit einer komplementären Form, wobei die Form des elastischen Körpers 6 als Positiv-Kontur ausgebildet ist, und wobei die Form des Grundkörpers 4 als Negativ-Kontur ausgebildet ist. Der Grundkörper 4 weist sechs Führungen 10 auf, in denen jeweils ein Stellelement 7, sowie ein Arm 17 des elastischen Körpers 6 teilweise angeordnet sind. Die Stellelemente 7 kommen ohne formändernde Krafteinwirkung an den elastischen Körper 6, insbesondere an den radial nach außen gerichteten Enden der Arme 17 des elastischen Körpers 6 zur Anlage. Die Stellelemente 7 sind im Bezug zum Grundkörper 4 radial beweglich in den Führungen 10 aufgenommen. Ferner sind die Stellelemente 7 radial außenseitig durch zwei umlaufende Verbindungselemente 8 miteinander verbunden, wobei das jeweilige Verbindungselement 8 als Draht ausgebildet ist. Das jeweilige Verbindungselement 8 verläuft durch eine Durchgangsbohrung 13 in einer Rolle 12. Die Rolle 12 ist axial durch den Grundkörper 4 geführt und drehbar im Grundkörper 4 gelagert.
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Gemäß 2 und 4 ist die Rolle 12 mittelbar über eine Getriebe 20, das eine Schnecke 16 und ein Schneckenrad 15 umfasst, mit einem Elektromotor 14 verbunden. Das Getriebe 20, die Rolle 12 und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Aktuator 9 des Elastomerlagers 3. Ferner bilden das Getriebe 20 und der Elektromotor 14 die Antriebseinheit 11. Der Aktuator 9 wird durch ein Steuergerät 19 angesteuert. Fahrdynamische Größen, wie beispielsweise Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkradwinkel oder Lenkradwinkelgeschwindigkeit, können entsprechende Parameter darstellen, anhand derer das Steuergerät 19 den Aktuator 9 ansteuert und die Steifigkeit der Elastomerlager 3 automatisch einstellt. In 2 ist der elastische Körper 6 des Elastomerlagers 3 ungestaucht und weist eine minimale Steifigkeit auf. In 4 ist der elastische Körper 6 des Elastomerlagers 3 gestaucht und weist eine höhere Steifigkeit auf.
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3 ist eine Seitenansicht des Elastomerlagers 3 gemäß 2. Anhand 3 ist zu erkennen, dass die Stellelemente 7 das jeweilige Verbindungselement 8 in dafür vorgesehene Aussparungen 18 an einer Außenumfangsfläche aufnehmen.
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Gemäß 4 hat der Aktuator 9 einen zweiten Zustand eingeleitet, indem die Rolle 12 in teilweise verdreht wurde, wobei die Rolle 12 die Verbindungselemente 8 teilweise an ihrem Außenumfang aufgerollt hat, um den Radius des jeweiligen Verbindungselements 8 zu verringern. Das Verbindungselement 8 hat dabei die Stellelemente 7 derart radial verschoben, dass diese entlang der Führungen 10 im Grundkörper 4 in Richtung des Bolzens 5 bewegt wurden und den elastischen Körper 6 gestaucht haben. Mithin sind die in den Führungen 10 ragenden Arme 17 des elastischen Körper 6 durch die Stellelemente 7 mit einer Vorspannkraft beaufschlagt. Dadurch erhöht sich die Steifigkeit des Elastomerlagers 3.
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5 ist eine schematische Frontansicht zur Veranschaulichung des Elastomerlagers 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die Ausführungsform gemäß 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 2 lediglich dadurch, dass der Aktuator 9 weniger Komponenten aufweist. Der Aktuator 9 gemäß 5 umfasst nämlich die Rolle 12 und den Elektromotor 14, wobei die Rolle 12 und der Elektromotor 14 unmittelbar miteinander verbunden sind. Mithin entfällt ein Getriebe zwischen Rolle 12 und Elektromotor 14. Der Aktuator 9 wird durch das Steuergerät 19 angesteuert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hilfsrahmen
- 2
- Lagersitz
- 3
- Elastomerlager
- 4
- Grundkörper
- 5
- Bolzen
- 6
- elastischer Körper
- 7
- Stellelement
- 8
- Verbindungselement
- 9
- Aktuator
- 10
- Führung
- 11
- Antriebseinheit
- 12
- Rolle
- 13
- Durchgangsbohrung
- 14
- Elektromotor
- 15
- Schneckenrad
- 16
- Schnecke
- 17
- Arm
- 18
- Aussparungen
- 19
- Steuergerät
- 20
- Getriebe
- 21a-21d
- Schenkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1386827 A2 [0003]
- DE 102016215467 A1 [0004]
