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Die Erfindung betrifft ein Radmodul für ein Kraftfahrzeug, mit dessen Hilfe das Kraftfahrzeug gelenkt und/oder angetrieben und/oder gebremst und/oder mit Hilfe einer Feder-/Dämpfereinheit gedämpft werden kann.
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Aus
CN 206679065 U ist ein Kraftfahrzeug mit einem Radmodul bekannt, bei dem ein Rad des Radmoduls um eine vertikale Lenkachse um 90° gedreht werden kann, um das Kraftfahrzeug auch in engen Parklücken einparken zu können.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis in einem Radmodul auftretende Kräfte bauraumsparend abstützen zu können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein bauraumsparendes Radmodul ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Radmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Eine Ausführungsform betrifft ein Radmodul für ein Kraftfahrzeug, insbesondere mehrspuriger Personenkraftwagen, mit einem um einen Drehmittelpunkt drehbaren Rad zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs und einem an einem Tragrahmen des Kraftfahrzeugs um eine Schwenkachse gelenkig anbindbare Schwinge zur Abstützung von auf dem Rad einwirkenden Kräften an den Tragrahmen, wobei der Drehmittelpunkt des Rads und die Schwenkachse der Schwinge auf einem im Drehmittelpunkt des Rads beginnenden gedachten Strahl liegen, wobei der Strahl um einen Winkel α von -40° ≤ α ≤ 35° zu einer X-Y-Ebene des Kraftfahrzeugs verläuft.
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Eine mechanische Abstützung des Rads über die Schwinge ist nicht in Z-Richtung über dem Rad, sondern möglichst weit unten vorgesehen. Wenn die Schwinge möglichst nah am Umfang des Rads an dem Tragrahmen angelenkt werden soll, kann die Schwenkachse der Schwinge in einem gemeinsamen Höhenbereich mit dem, inbesondere in X-Richtung zu dem Drehmittelpunkt des Rads versetzt am Rand eines Radkastens und/oder vorzugsweise in der Nähe eines Schwellers des Tragrahmens angelenkt sein. Am Aufstandspunkt des Rads angreifende Kräfte, insbesondere bei einer Kurvenfahrt auftretende Querkräfte, greifen im Vergleich zu einer Anlenkung der Schwinge oberhalb des Rads mit einem deutlich geringeren Hebelarm an, so dass ein Biegemoment um eine im Wesentlichen in X-Richtung verlaufende Biegeachse reduziert werden kann. Wenn die Schwinge in Z-Richtung oberhalb des Rads angelenkt wäre, würde der für die abzustützenden Gelenkkräfte wirksame Hebelarm mindestens dem doppelten Radius des Rads entsprechen, während bei dem gewählten Winkel α der wirksame Hebelarm kleiner als der doppelte Radius des Rads sein kann. Bei einem negativen Betrag des Winkels α, wenn die Schwinge unterhalb einer den Drehmittelpunkt des Rads einschließenden X-Y-Ebene angelenkt ist, kann der für die in Y-Richtung abzustützenden Gelenkkräfte wirksame Hebelarm jedenfalls kleiner als der einfache Radius des Rads sein. Die bei einer Kurvenfahrt in der Anlenkung der Schwinge auftretenden Biegemomente und abzustützende Querkräfte können deutlich reduziert werden, so dass die Schwinge für eine geringere Belastung ausgelegt werden kann. Der Materialeinsatz und damit die Herstellungskosten und der Bauraumbedarf für die Schwinge kann dadurch reduziert werden. Zudem können sowieso vorgesehene lastabtragene Bauteile des Kraftfahrzeugs, die einen Einstieg in den Fahrzeuginnenraum begrenzen, zusätzlich für die Anlenkung der Schwinge funktionalisiert werden, wodurch die Bauteileanzahl und der Bauraumbedarf weiter reduziert werden kann. Durch den Winkel α kann die Schwinge bei einem geringeren Materialeinsatz und einem geringeren Bauraumbedarf mit einem zur Abstützung von an dem Rad angreifenden Querkräften günstigen Hebelarm besonders nah zum Untergrund angelenkt werden, so dass ein bauraumsparendes Radmodul ermöglicht ist.
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Unter einer X-Richtung wird eine Koordinatenrichtung entlang einer Längsachse eines Kraftfahrzeugs verstanden, wenn das Radmodul in dem Kraftfahrzeug eingebaut ist. Die X-Richtung verläuft im Wesentlichen horizontal, wenn das Kraftfahrzeug auf einem ebenen horizontal verlaufenden Untergrund abgestellt ist. Unter einer Y-Richtung wird eine Koordinatenrichtung entlang einer Querachse eines Kraftfahrzeugs verstanden, wenn das Radmodul in dem Kraftfahrzeug eingebaut ist. Die Y-Richtung verläuft im Wesentlichen horizontal, wenn das Kraftfahrzeug auf einem ebenen horizontal verlaufenden Untergrund abgestellt ist. Unter einer Z-Richtung wird eine Koordinatenrichtung entlang einer Vertikalachse eines Kraftfahrzeugs verstanden, wenn das Radmodul in dem Kraftfahrzeug eingebaut ist. Die Z-Richtung verläuft im Wesentlichen vertikal, wenn das Kraftfahrzeug auf einem ebenen horizontal verlaufenden Untergrund abgestellt ist. Die X-Richtung, die Y-Richtung und die Z-Richtung sind zueinander orthogonal ausgerichtet. Die X-Richtung und die Y-Richtung können eine X-Y-Ebene aufspannen, die auf einer bestimmten Höhe in Z-Richtung in einer Horizontalebene des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, wenn das Kraftfahrzeug auf einem ebenen horizontal verlaufenden Untergrund abgestellt ist. Die X-Richtung und die Z-Richtung können eine im Wesentlichen in einer Vertikalen liegende X-Z-Ebene aufspannen, die auf einer bestimmten Position Y-Richtung einen in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs verlaufenden Längsschnitt des Kraftfahrzeugs darstellt, wenn das Kraftfahrzeug auf einem ebenen horizontal verlaufenden Untergrund abgestellt ist. Die Y-Richtung und die Z-Richtung können eine im Wesentlichen in einer Vertikalen liegende Y-Z-Ebene aufspannen, die auf einer bestimmten Position X-Richtung einen in Querrichtung des Kraftfahrzeugs verlaufenden Querschnitt des Kraftfahrzeugs darstellt, wenn das Kraftfahrzeug auf einem ebenen horizontal verlaufenden Untergrund abgestellt ist.
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Insbesondere gilt für den Winkel α von -30° ≤ α ≤ 20°, insbesondere -20° ≤ α ≤ 0°. Die Schwinge kann dadurch besonders nah im Bereich eines Schwellers des Tragrahmens angelenkt werden. Die am Anlenkungspunkt der Schwinge auftretenden Gelenkkräfte können dadurch über einen entsprechend kurzen Hebelarm an den Tragrahmen, insbesondere an den Schweller, abgetragen werden.
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Vorzugsweise weist die Schwenkachse zu einem Untergrund einen Abstand d von 60 mm ≤ d ≤ 650 mm, insbesondere 80 mm ≤ d ≤ 590 mm, vorzugsweise 100 mm ≤ d ≤ 260 mm auf. Bei einem derartigen Abstand zu einer Fahrbahnoberseite können die An der Schwinge angreifenden Querkräfte mit einem geringen Hebelarm an dem Tragrahmen abgestützt werden. Zudem ist der Abstand zum Untergrund groß genug, dass bei zu berücksichtigenden Unebenheiten im Untergrund, beispielsweise ein Schlagloch in der Fahrbahn, die Schwinge nicht am Untergrund aufsetzt.
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Besonders bevorzugt ist ein an der Schwinge angreifender und an dem Tragrahmen des Kraftfahrzeugs abstützbarer Stoßdämpfer zur Dämpfung von durch Fahrbahnunebenheiten verursachten Schwingungen des Rads vorgesehen, wobei das Rad ausschließlich nur über die Schwinge und den Stoßdämpfer an dem Tragrahmen des Kraftfahrzeugs zur Abtragung von Kräften abstützbar ist. Der Stoßdämpfer kann eine ausreichende Aufstandskraft für das Rad aufprägen und durch Fahrbahnunebenheiten ausgelöste Schwingungen des Rads dämpfen. Diese Schwingungen des Rads können durch die gelenkige Abstützung der Schwinge von der Schwinge mitgegangen werden. Vorzugsweise ist die Kraftrichtung des Stoßdämpfers überwiegend in Z-Richtung ausgerichtet. Dadurch kann der Stoßdämpfer überwiegend die in Z-Richtung auftretenden Kräfte abstützen, während die Schwinge überwiegend die in X-Richtung auftretenden Kräfte abstützen kann. Durch einen Winkel zwischen der Kraftrichtung des Stoßdämpfers und dem von Drehmittelpunkt des Rads zur Drehachse der Schwinge verlaufenden Strahls von größer 45°, insbesondere größer 60°, vorzugsweise größer 80°, können bei geringen Querbelastungen in dem Stoßdämpfer und der Schwinge die auftretenden Kräfte bei einem geringen Materialeinsatz und geringen Bauraumbedarf gut abgestützt werden. Weitere abstützende Bauteile sind dadurch nicht erforderlich und können eingespart werden, wodurch der Bauraumbedarf und die Herstellungskosten gering gehalten werden können.
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Insbesondere ist ein an der Schwinge drehbar gelagerter und mit dem Rad befestigter Radträger zum Lenken des Rads und ein mit der Schwinge befestigter und an dem Radträger angreifender elektrisch betreibbarer Lenkaktor zum Verdrehen des Radträgers vorgesehen ist. Der Lankaktor ist an der Schwinge befestigt und kann über die Schwinge die Kräfte zum Verdrehen des Radträgers abstützen. Eine Befestigung des Lenkaktors an dem Tragrahmen ist nicht vorgesehen und ist nur mittelbar über die Schwinge vorgesehen. Zur Ansteuerung des Lenkaktor vorgesehene elektrische Leitungen können eine Relativbewegung des Lenkaktors relativ zum Tragrahmen infolge einer Schwenkbewegung der Schwinge mitgehen und hierzu eine geeignete Länge und eine geeignete Kabelführung aufweisen. Der Lenkaktor kann einen mit einer, insbesondere axial versetzt angeordneten, Welle gekoppelten Rotor aufweisen, so dass eine elektromagnetische Drehung des Rotors zu einem Verdrehen des an der Welle befestigten Radträgers und des mit dem Radträger verbundenen Rads führt. Durch einen axialen Versatz des Lenkaktors zu der Drehachse des Radträgers, kann der Lenkaktor in einen Bereich innerhalb eines Radkastens vorgesehen werden, wodurch außerhalb des Radkastens für den Lenkaktor kein Bauraum vorgehalten werden muss.
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Erfindungsgemäß weist die Schwinge einen ein unteres Lager und ein in Z-Richtung über dem unteren Lager vorgesehenes oberes Lager zum Verdrehen des Rads um eine durch das untere Lager und das obere Lager verlaufende Z-Achse auf, wobei das untere Lager und das obere Lager über einen von der Schwinge ausgebildeten, insbesondere gebogen verlaufenden Schwingenkörper zur Ermöglichung eines Lenkeinschlags des Rads um mindestens 90° miteinander verbunden sind, wobei von dem Schwingenkörper mindestens ein Lenkerhebel zur gelenkigen Anbindung an dem Tragrahmen des Kraftfahrzeugs absteht. Durch den gebogenen Schwingenkörper, der beispielsweise einer Konturierung eines Radkastens entsprechen kann, wird freier Bauraum für das Rad vorgehalten, in den das Rad auch bei extrem großen Drehwinkeln von über 90° hineindrehen kann. Im Vergleich zu einen in Z-Richtung verlaufenden geraden stabförmigen Schwinge, kann das Rad nicht an dem Lenkerhebel der Schwinge anschlagen, so dass der Lenkeinschlag des Rads nicht durch den Lenkerhebel blockiert und begrenzt wird. Aufgrund des großen ermöglichten Lenkeinschlags ist es möglich, dass das Kraftfahrzeug quer zur Fahrtrichtung fahren kann und/oder auf der Stelle drehen kann. Die Wendigkeit des Kraftfahrzeugs kann dadurch sehr groß sein.
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Besonders bevorzugt verläuft die Schwinge zur Ermöglichung eines Lenkeinschlags des Rads um mindestens 90° miteinander sowohl in einer X-Y-Ebene bogenförmig als auch in einer Y-Z-Ebene bogenförmig. Ein Anschlagen des Rads an der Schwinge bei sehr großen Lenkeinschlägen ist dadurch sicher vermieden.
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Insbesondere ist die Schwinge starr, insbesondere einstückig, ausgestaltet. Durch die einseitige Anlenkung der Schwinge ist es möglich eine gelenkige zweiteilige Ausgestaltung der Schwinge zu vermeiden, indem ein an dem Rad angreifender Stoßdämpfer nicht an der Schwinge, sondern an dem übrigen Kraftfahrzeug, insbesondere direkt oder indirekt an dem Tragrahmen, abgestützt wird. Die die Steifigkeit der Kraftabstützung über die Schwinge ist dadurch verbessert und die Bauteileanzahl gering gehalten.
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Eine Ausführungsform betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Tragrahmen und an dem Tragrahmen abgestützten Radmodulen, die wie vorstehend beschrieben aaus- und weitergeildet sein können, zum Lenken des Kraftfahrzeugs, wobei jedes Radmodul einen Lenkeinschlag des Rads um mindestens 90° ermöglicht. Aufgrund des großen ermöglichten Lenkeinschlags ist es möglich, dass das Kraftfahrzeug quer zur Fahrtrichtung fahren kann und/oder auf der Stelle drehen kann. Durch den Winkel α kann die Schwinge des Radmoduls bei einem geringeren Materialeinsatz und einem geringeren Bauraumbedarf mit einem zur Abstützung von an dem Rad angreifenden Querkräften günstigen Hebelarm besonders nah zum Untergrund angelenkt werden, so dass ein bauraumsparendes Kraftfahrzeug ermöglicht ist.
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Vorzugsweise weist der Tragrahmen einen zwischen einem in X-Richtung vorderen Radmodul und einem in X-Richtung hinteren Radmodul ausgebildeten Schweller auf, wobei die Schwinge auf Höhe des Schwellers an dem Tragrahmen, insbesondere unmittelbar an dem Schweller, angelenkt ist. Dies ermöglicht es an dem Rad auftretende Kräfte in X-Richtung über die Schwinge mit geringen Bauteilbelastungen abzustützen. Der sowieso vorgesehene Schweller kann leicht die von der Schwinge eingeleiteten Kräfte und Momente abstützen.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Seitenansicht eines Teils eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrtzeugs,
- 2: eine schematische Draufsicht auf ein Radmodul des Kraftfahrzeugs aus 1 bei verschiedenen Lenkeinschlägen,
- 3: eine schematische Frontansicht des Radmoduls aus 2,
- 4: eine vereinfachte Detailansicht einer ersten Ausführungsform des Kraftfahrtzeugs aus 1 und
- 5: eine vereinfachte Detailansicht einer zweiten Ausführungsform des Kraftfahrtzeugs aus 1.
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Das in 1 nur teilweise dargestellte Kraftfahrzeug 10 kann beispielsweise als emissionsfreies Elektrofahrzeug für eine Mobilität innerhalb einer Stadt vorgesehen sein. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen insbesondere im Wesentlichen rechteckigen Tragrahmen 12 auf. Beispielsweise ist an den Ecken des Tragrahmens jeweils ein an dem Tragrahmen direkt oder indirekt abgestütztes Radmodul 14 befestigt. Zwischen einem in Fahrtrichtung vorderen Radmodul 14 und hinteren Radmodul 14 weist der Tragrahmen 12 einen als Längsträger ausgestalteten Schweller 16 auf, der einen unteren Rand eines Einstiegs in einen Kraftfahrzeuginnenraum begrenzen und/oder abstützen kann. Das Radmodul 14 weist ein drehbares Rad 18 auf, das mit Hilfe eines Lenkaktors 20 eingelenkt werden kann. Fahrbahnunebenheiten, können von einem an dem Rad 18 angreifenden Stoßdämpfer 22 gedämpft werden, wobei der Stoßdämpfer 22 zur Abstützung von in Z-Richtung auftretenden Kräften an dem Rad 18 oberhalb des Rads 18 zumindest mittelbar an dem Tragrahmen 12 abgestützt ist. Über eine Schwinge 24 ist das Rad 18 zur Abstützung von in X-Richtung und in Y-Richtung an dem Rad 18 auftretenden Kräften an dem Tragrahmen 12 gelenkig abgestützt. Durch die gelenkige Anbindung der Schwinge 24 kann eine von dem Stoßdämpfer 22 ermöglichte Auf- und Abbewegung des Rads 18 mitgegangen werden.
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Wie in 2 dargestellt ist, kann das Rad 18 um mehr als 90° eingelenkt werden. Dadurch kann das Kraftfahrzeug 10 auch quer zur Fahrtrichtung fahren und/oder auf der Stelle drehen. Hierzu kann insbesondere jedes Rad 18 des jeweiligen Radmoduls einzeln angesteuert und angetrieben werden, so dass für jedes Rad 18 einzeln ein bestimmter Lenkeinschlag und eine bestimmte Drehrichtung vorgegeben werden kann, um eine entsprechend hohe Wenigkeit des Kraftfahrzeugs zu realisieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Rad 18 ausgehend von einer Stellung für eine Geradeausfahrt in die eine Drehrichtung um mindestens 90°, insbesondere ca. 95°, und in die andere Drehrichtung um ca. 40° eingelenkt werden. Die Schwinge 24 ist hierzu in der X-Y-Ebene ausreichend gebogen ausgeführt, damit das Rad 18 nicht an der Schwinge 24 anschlagen kann.
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Wie in 3 dargestellt ist, kann die Schwinge 24 einen auch in der Y-Z-Ebene gebogenen Schwingenkörper 26 aufweisen, von dem mindestens ein an dem Tragrahmen 12 angelenkter Lenkerhebel 28 absteht. Der Schwingenkörper 26 weist ein oberes Lager 30 und ein unteres Lager 32 auf, mit deren Hilfe ein Radträger 34 um eine im Wesentlichen in Z-Richtung verlaufende Drehachse drehbar gelagert ist. Der Radträger 34 ist mit dem Rad 18 verbunden und kann von dem Lankaktor 20 verdreht werden. Der Lenkaktor 20 ist hierbei zu der Drehachse des Radträgers 34 versetzt vorgesehen und im Wesentlichen achsparallel, beispielsweise über eine Zahnradpaarung und/oder einen Zugmitteltrieb, mit einer den Radträger drehenden Welle gekoppelt. Der Lenkaktor 20 ragt hierbei nach radial innen ab, wodurch Bauraum eingespart wird und der Lenkaktor 20 leicht außerhalb eines Lenkbereichs des Rads 18 mit der Schwinge 24 befestigt werden kann, beispielsweise um ein Mitdrehen des Lenkaktors 20 mit dem Radträger 34 zu verhindern.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schwinge 24 bei einer Reifengröße des Rads 18 von 125/70 R15 auf einem Abstand d zu einem Untergrund 36 von d = 590 mm an dem Tragrahmen 12 angelenkt. Ein von einem Drehmittelpunkt 38 des Rads 18 durch eine Schwenkachse 40 im Anlenkungspunkt der Schwinge 24 an dem Tragrahmen 12 verlaufender gedachter Strahl 42 ist zu einer X-Y-Ebene 44 um einen mathematisch positiven Winkel α von α = 35° angeschrägt und nah am Schweller 16 angelenkt. Der Abstand d zum Untergrund 36 ist so gering, dass ein durch in Y-Richtung an dem Rad 18 bei einer Kurvenfahrt angreifende Querkräfte nur mit einem geringen Biegemoment von der Schwinge 24 an den Tragrahmen 12 abgestützt werden müssen.
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Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 10 ist die Schwinge 24 im Vergleich zu dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugs 10 mit einem Abstand d = 80 mm und einem mathematisch negativen Winkel α des Strahls α = -40° unmittelbar an dem Schweller 16 des Tragrahmens 12 angelenkt, wodurch die von der Schwinge 24 an den Tragrahmen 12 abzustützenden Biegemomente bei einer ausreichenden Bodenfreiheit noch weiter reduziert werden können. Es ist auch möglich die Schwinge bei verschiedenen Werten für den Winkel α anzulenken, beispielsweise bei einem Winkel α = 0°.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Tragrahmen
- 14
- Radmodul
- 16
- Schweller
- 18
- Rad
- 20
- Lenkaktor
- 22
- Stoßdämpfer
- 24
- Schwinge
- 26
- Schwingenkörper
- 28
- Lenkerhebel
- 30
- oberes Lager
- 32
- unteres Lager
- 34
- Radträger
- 36
- Untergrund
- 38
- Drehmittelpunkt
- 40
- Schwenkachse
- 42
- Strahl
- 44
- X-Y-Ebene
- d
- Abstand
- α
- Winkel
