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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Fahrgastzelle und
einem relativ zu dieser schwingbeweglichen Grundrahmen der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
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Aus
der
GB 1 097 104 ist
ein Anhänger
mit einem Ladeboden zum Transport eines Mähaufsatzes für einen
Mähdrescher
bekannt, wobei der Ladeboden über
Schraubenfedern schwingbeweglich an einem Rahmen des Anhängers aufgehängt ist,
um das An- und Abkuppeln des Mähaufsatzes
an einen Mähdrescher
zu erleichtern. Im Fahrbetrieb des Anhängers wird der Ladeboden über Befestigungsarme unbeweglich
am Rahmen des Anhängers
fixiert, weil die sehr geringe Dämpfung
der Schraubenfedern sonst unweigerlich zu großen Bewegungsamplituden des
Ladebodens und nachfolgend zu einem Anschlagen des Ladebodens am
Rahmen des Anhängers führen würde.
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Des
Weiteren ist aus der
US 3 881
767 ein Kraftwagen mit einer Fahrgastzelle bekannt, die über Gummilager
schwingbeweglich auf einem Grundrahmen abgestützt ist. Die Gummilager übertragen
jeweils in allen drei Raumrichtungen Kräfte zwischen Rahmen und Fahrgastzelle
und lassen sich in den verschiedenen Raumrichtungen nur in begrenztem Umfang
unterschiedlich steif abstimmen.
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Aus
der
DE 197 56 909
A1 ist ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 mit einer Fahrgastzelle und einem relativ zu dieser schwingbeweglichen
Grundrahmen bekannt, welcher die Aggregate von Fahrwerk und Antriebsstrang trägt. Die
Fahrgastzelle ist an ihrem Boden über fünf Koppellager am Grundrahmen
abgestützt,
die als übliche
Gummi-Metall-Lager oder Hydrolager ausgeführt sind und jeweils in allen
Raumrichtungen Kräfte und
Momente übertragen.
Bei einem derartigen Fahrzeug lässt
sich durch eine geeignete Auslegung der Koppellager unter Beibehaltung
einer hohen Fahrstabilität
des Fahrzeugs die Übertragung
von Schall und hochfrequenten Schwingungen der Achsen und des Antriebsstrangs
auf die Fahrgastzelle reduzieren.
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Um
auch die Übertragung
von niederfrequenten, z. B. fahrbahnerregten Schwingungen zu reduzieren,
ist eine sehr weiche Auslegung der Koppellager in vertikaler Richtung
anzustreben. Um dabei die Fahrstabilität des Fahrzeugs zu erhalten,
sollten Querverschiebungen der Fahrgastzelle relativ zum Grundrahmen
jedoch in der Regel vermieden werden, so dass die Koppellager in
Querrichtung entsprechend steif gestaltet sein müssen.
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Da
sich bekannte Gummi-Metall-Lager oder Hydrolager in den verschiedenen
Raumrichtungen nur in begrenztem Umfang unter schiedlich steif abstimmen
lassen, kann bei dem bekannten Fahrzeug ein Zielkonflikt zwischen
einem hohem Fahrkomfort bei niederfrequenter Anregung einerseits
und einer hohen Fahrstabilität
andererseits auftreten. Weiterhin ist von Nachteil, dass die Koppellager
unterhalb des Zellenschwerpunkts an die Fahrgastzelle anbinden,
wodurch die Fahrgastzelle bei Einleitung von Querkräften über die
in Querrichtung steifen Koppellager zu komfortmindernden Schwingungen
um die Längsachse
angeregt werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des Anspruchs
1 genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass unter Beibehaltung
einer hohen Fahrstabilität
des Fahrzeugs bei hoch- und niederfrequenter Anregung ein hoher Fahrkomfort
der Fahrzeuginsassen erzielt wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Weitere
die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale enthalten
die Unteransprüche.
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Der
mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass die Freizügigkeit
bei der Abstimmung der Fahrgastzellenanbindung über die Koppelelemente erheblich
vergrößert ist,
da die Fahrgastzelle über
jeden Starrkörper-Freiheitsgrad
weitgehend unabhängig
von den jeweils anderen mit dem Grundrahmen gekoppelt werden kann.
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Zur
einfachen Abstimmung der Freiheitsgrade der Fahrgastzelle in Längs-, Quer-
und Hochrichtung, können
zur Abstützung
der Fahrgastzelle am Grundrahmen mindestens vier Vertikal-Koppelelemente
sowie mindestens eine Längs-
und ein Quer-Koppelelement vorgesehen sein.
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Um
bei Einleitung von Kräften über die Quer-Koppelelemente
komfortmindernder Schwingungen der Fahrgastzelle um die Längsachse
zu minimieren, können
zwei Quer-Koppelelemente etwa auf Höhe des Zellenschwerpunkts an
der Fahrgastzelle angebunden sein.
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Um
bei Einleitung von Kräften über die Längs-Koppelelemente
komfortmindernder Schwingungen der Fahrgastzelle um die Querachse
zu minimieren, können
zwei Längs-Koppelelemente
etwa auf Höhe
des Zellenschwerpunkts an der Fahrgastzelle angebunden sein.
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Zur
Erreichung einer einfachen Anordnung, bei welcher die Koppelelemente
ausschließlich
in ihrer jeweiligen Wirkrichtung kraftübertragend sind, kann jedes
Koppelelement sowohl mit dem Grundrahmen als auch mit der Fahrgastzelle
durch jeweils ein zugeordnetes Kardan- und/oder Kugelgelenk verbunden
sein.
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Um
eine besonders hohe Fahrstabilität
des Fahrzeugs zu erzielen, können
die Quer-Koppelelemente dabei weitgehend starre Lenker sein.
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Zur
Erreichung einer hochdämpfenden
und besonders zuverlässigen
Abstützung
der Fahrgastzelle am Grundrahmen können als Vertikal- und Längs-Koppelelemente übliche Feder-Dämpfer-Beine vorgesehen
sein.
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Um
die Einleitung von Rahmenschwingungen in die Fahrgastzelle zu minimieren,
kann der Grundrahmen als steifer Verbund aus zwei seitlichen Längsträgern und
mindestens zwei Querträgern
ausgebildet sein, wobei die vier Vertikal-Koppelelemente nahe von
Verbindungsknoten des Grundrahmens angelenkt sind, an welchen dieser
eine besonders hohe Steifigkeit aufweist.
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Um
auf einen Teil der bei Kraftfahrzeugen üblichen karosserieseitigen
Crashverstärkungen
verzichten zu können
und somit eine besonders gewichtssparende Auslegung der Fahrgastzelle
zu ermöglichen,
kann im Falle eines Frontalaufpralls des Fahrzeugs der Verformungsweg
dadurch verlängert werden, dass
zunächst
ein vorderer, die Fahrgastzelle überragender
Endbereich des Grundrahmens beaufschlagt ist, wonach die Fahrgastzelle
nach selbsttätigem
Lösen der
Koppelelemente durch eine im Fahrbetrieb nicht wirksame Fangverbindung
relativ zum Grundrahmen nach vorn oben geführt ist. Dabei wird durch Deformation
von zwischen Fahrgastzelle und Grundrahmen angeordneten Crash-Elementen Bewegungsenergie
absorbiert.
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Um
eine besonders einfache und gewichtssparende Anbindung der Längs- und
Quer-Koppelelemente etwa in Höhe
des Zellenschwerpunkts an den Grundrahmen zu ermöglichen, kann dieser im Anschluss
an einen horizontalen Längenbereich
bis in den Bereich der Höhe
des Zellenschwerpunkts nach oben abgewinkelt sein.
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Um
die Übertragung
von Schwingungen vom Grundrahmen auf die Fahrgastzelle weiter zu
minimieren, kann eine die Schwingbeweglichkeit des Grundrahmens
erhaltende Fernsteuerung der Lenk-, Brems- und Motorsteuerungsfunktionen
des Fahrzeugs vorgesehen sein.
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Zur
Erzielung hinsichtlich Fahrkomfort und Fahrstabilität besonders
günstiger
Eigenschaften kann der Anteil der Fahrgastzelle an der Fahrzeuggesamtmasse
30 bis 60% betragen.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.
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In
der Darstellung zeigen:
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1 einen
Kraftwagen mit einer Fahrgastzelle und einem Grundrahmen in einer
schematischen Seitenansicht,
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2 den
Kraftwagen in einer schematischen Draufsicht,
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3 eine
Fangverbindung zwischen Fahrgastzelle und Grundrahmen im nicht aktivierten
Zustand in einer schematischen Seitenansicht,
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4 einen
Schnitt durch die Fangverbindung im aktivierten Zustand gemäß der Linie
IV-IV in 3,
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5 eine
weitere Ansicht der aktivierten Fangverbindung und
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6 die
Bewegung der Fahrgastzelle im Falle eines Frontalaufpralls des Fahrzeugs
in einer schematischen Ansicht von der Seite.
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In 1 ist
ein Kraftwagen 1 mit einer Fahrgastzelle 2 oberhalb
eines die Aggregate von Fahrwerk und Antriebstrang tragenden Grundrahmens 3 dargestellt,
von denen hier nur eine Vorder- und eine Hinterachse angedeutet
sind.
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Die
Fahrgastzelle 2 begrenzt einen Fahrzeuginnenraum zur Aufnahme
von Fahrzeuginsassen und Gepäck.
Ein Boden 4 der Fahrgastzelle 2 weist im Querschnitt
gesehen einen mittleren, horizontal verlaufenden Bereich auf, vom
dem jeweils ein Endbereich nach vorn oben und nach hinten oben abgewinkelt
ist.
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Der
Grundrahmen 3 überragt
die Fahrgastzelle 2 mit einem vorderen Endbereich 6,
welcher die Vorderachse und eine nicht dargestellte Motor-Getriebe-Einheit
trägt,
sowie mit einem hinteren Endbereich 7, an dem z. B. eine
Gepäckaufnahme
angeordnet sein kann.
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Wie
in Verbindung mit 2 ersichtlich ist, weist der
Grundrahmen 3 zwei seitliche Längsträger 5 auf, die seitlich
von der Fahrgastzelle 2 überragt werden. Die Längsträger 5 verlaufen
im vorderen Endbereichs 6 zunächst horizontal und sind an
dessen hinterem Rand an jeweils einem zugeordneten vorderen Verbindungsknoten 8 durch
einen vorderen Querträger 9 miteinander
verbunden. Im Anschluss an die vorderen Verbindungsknoten 8 verlaufen
die Längsträger 5 in
Abstimmung auf den Boden 4 der Fahrgastzelle 2 zunächst schräg nach unten,
gehen danach in einen mittleren, horizontalen Längenbereich über, an
den ein schräg
nach oben verlaufender Bereich anschließt. Am vorderen und am hinteren Ende
des horizontalen Abschnitts sind die beiden Längsträger 5 an mittleren
Verbindungsknoten 10 durch jeweils einen mittleren Querträger 11 verbunden.
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Die
Längsträger 5 sind
am Ende des schräg nach
hinten verlaufenden Bereichs an zugeordneten, hinteren Verbindungsknoten 12 durch
einen hinteren Querträger 13 miteinander
verbunden und verlaufen im daran anschließenden hinteren Endbereich 7 des Grundrahmens 3 horizontal.
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Die
Fahrgastzelle 2 ist in vertikaler Richtung sowie um die
Längs-
und Querachse durch vier Vertikal-Koppelelemente 14 abgestützt, von
denen jeweils eines zwischen dem Boden 4 der Fahrgastzelle 2 und
einem zugeordneten mittleren Knoten 10 des Grundrahmens 3 angeordnet
ist.
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Jedes
Vertikal-Koppelelement 14 umfasst ein übliches, z. B. von Kraftfahrzeugachsen
bekanntes Feder-Dämpferbein,
das mit seiner Mittel-Längsachse
in Hochrichtung verläuft
und über
jeweils ein zugeordnetes, nicht dargestelltes Kardangelenk am Grundrahmen 3 angelenkt
sowie über
ein zugeordnetes, ebenfalls nicht dargestelltes Kugelgelenk mit dem
Boden 4 der Fahrgastzelle 2 verbunden ist.
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In
Längsrichtung
ist die Fahrgastzelle 2 über zwei Längs-Koppelelemente 15 abgestützt, die
zwischen dem hinteren Endbereich der Fahrgastzelle 2 und
jeweils einem zugeordneten hinteren Verbindungsknoten 12 des
Grundrahmens angeordnet sind. Jedes Längs-Koppelelement 15 umfasst
ein über
ein zugeordnetes, nicht dargestelltes Kardangelenk am Grundrahmen 3 angelenktes
und mit der Fahrgastzelle 2 über jeweils ein zu geordnetes,
ebenfalls nicht dargestelltes Kugelgelenk verbundenes Feder-Dämpferbein,
das mit seiner Mittel-Längsachse
etwa auf Höhe
des Zellenschwerpunkts in Längsrichtung
verläuft.
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Zu
ihrer Abstützung
in Querrichtung ist jeweils ein Quer-Koppelelement 16 vor und hinter
der Fahrgastzelle 2 angeordnet. Die Quer-Koppelelemente 16 werden
jeweils durch einen zug- und drucksteifen Lenker gebildet, der mit
seiner Mittel-Längsachse
etwa auf Höhe
des Zellenschwerpunkts in Querrichtung verläuft und am Grundrahmen 3 über ein
zugeordnetes, nicht dargestelltes Kardangelenk angelenkt sowie mit
der Fahrgastzelle 2 über
ein ebenfalls nicht dargestelltes Kugelgelenk verbunden ist.
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Dabei
bindet das vordere der Quer-Koppelelemente 16 am Grundrahmen 3 nahe
dem linken der vorderen Verbindungsknoten 8 und am vorderen Endbereich
der Fahrgastzelle 2 etwa in Fahrzeugmitte an, während das
hintere der Quer-Koppelelemente 16 nahe dem rechten der
hinteren Verbindungsknoten 12 am Grundrahmen 3 angelenkt
und etwa in Fahrzeugmitte am hinteren Endbereich der Fahrgastzelle 2 angebunden
ist.
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Durch
die große
Länge der
Quer-Koppelelemente 16 ist sichergestellt, dass diese auch
bei großen
Quer- und/oder Längsauslenkungen
des Grundrahmens 3 aus seiner in 1 und 2 skizzierten Gleichgewichtslage
fast ausschließlich
Kräfte
in Querrichtung übertragen.
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Anstelle
der genannten Koppelelemente 14, 15 und 16 die
Feder-Dämpferbeine
bzw. starre Lenker umfassen kann es auch vorteilhaft sein, Koppelelemente
mit Gummi-Lagern und/oder aktiven Stellgliedern zu verwenden.
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Um
eine gute Abkopplung der Fahrgastzelle 2 vom Grundrahmen 3 zu
gewährleisten,
ist eine an sich bekannte elektrische Fern steuerung der Lenk-, Brems-
und Motorsteuerungsfunktionen des Kraftwagens 1 vorgesehen.
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Simulations-Analysen
belegen für
den beschriebenen Kraftwagen 1 unter Beibehaltung einer hohen
Fahrstabilität
eine erhebliche Verbesserung des Fahrkomforts der Fahrzeuginsassen
in einem Bereich oberhalb von 2 Hz, insbesondere dann wenn der Anteil
der Fahrgastzelle 2 an der Gesamtmasse des Kraftwagens 1 30%
bis 60% beträgt.
Dieses Verhältnis
ist daher für
alle möglichen
Kombination von Ausstattung, Motorisierung und Beladungszustand des
Kraftwagens 1 anzustreben.
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In 3 ist
eine im Fahrbetrieb nicht wirksame Fangverbindung 17 zwischen
dem Grundrahmen 3 und dem Boden 4 der Fahrgastzelle 2 dargestellt, die
im Falle eines Frontalaufpralls des Kraftwagens 1 selbsttätig aktiviert
wird. Die Fangverbindung 17 umfasst Führungsschienen 18 an
den seitlichen Längsträgern 5 des
Grundrahmens 3, die nach ihrer Aktivierung mit jeweils
einem zugeordneten Führungsmittelpaar 19 am
Boden 4 der Fahrgastzelle 2 zusammenwirken.
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Die
vorderen Führungsschienen 18 erstrecken
sich jeweils über
den gesamten schräg
nach vorn oben verlaufenden Längenabschnitt
der Längsträger 5 und
die hinteren Führungsschiene 18 über einen
gleichlangen Längenabschnitt
im hinteren Bereich ihrer horizontalen Mittelabschnitte.
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Im
Fall eines Frontallaufpralls des Kraftwagens 1 trifft in
der ersten Phase des Aufpralls zunächst der Grundrahmen 3 auf
das Hindernis auf und wird unter Deformation seines vorderen Endbereichs 6 in
Längsrichtung
stark verzögert.
Die über
die Längs-Koppelelemente 15 nur
relativ weich abgestützte
Fahrgastzelle 2 verzögert
dabei in wesentlich geringerem Umfang in Längsrichtung, so dass die Fahrgastzelle 2 relativ
zum Grundrahmen 3 nach vorn verschoben wird und mit jedem
der Führungsmittelpaare 19 in
eine zugeordnete Führungsschiene 18 am
Grundrahmen 3 einfädelt.
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Wie
in Verbindung mit 4 ersichtlich ist, umfasst jedes
Führungsmittelpaar 19 einen
bei aktivierter Fangverbindung 17 an der Oberseite der
zugeordneten Führungsschiene 18 abgestützten Gleitklotz 20 sowie
einen Gleitbolzen 21, der über einen Schlitz in der Oberseite
in einen Hohlquerschnitt der Führungsschiene 18 eingreift
und in diesem in Quer- und Hochrichtung abgestützt ist.
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Zur
Vergrößerung des
Verformungsweges der Fahrgastzelle 2 beim Frontallaufprall
ist für
jedes Koppelelement 14, 15 und 16 eine
nicht dargestellte Auslösevorrichtung
vorgesehen, mittels der die Koppelelemente 14, 15 bzw. 16 beim
Aufprall selbsttätig von
der Fahrgastzelle 2 gelöst
werden.
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Die
Auslösevorrichtungen
für die
Vertikal- 14 und Quer-Koppelelemente 16 umfassen
nicht dargestellte Anschläge
am Grundrahmen 3, an denen die Vertikal- 14 und
Quer-Koppelelemente 16 infolge der Längsverschiebung der Fahrgastzelle 2 relativ
zum Grundrahmen 3 auflaufen. Dabei werden die an den Anschlägen abgestützten Vertikal- 14 und
Quer-Koppelelementen 16 durch Längskräfte beaufschlagt bis die jeweils
konstruktiv vorgegebene Lösekraft
erreicht ist, nach deren Überschreiten
sich die Fahrgastzelle 2 selbsttätig vom entsprechenden Vertikal- 14 bzw.
Quer-Koppelelement 16 löst.
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Da
die Lösekräfte in Längsrichtung
und somit orthogonal zu den im Fahrbetrieb auftretenden Kräften der
Vertikal- 14 und Quer-Koppelelemente 16 verlaufen,
ist für
die Vertikal- 14 und Quer-Koppelelemente 16 eine
besonders einfache Auslegung der Auslösevorrichtungen möglich.
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Das
Auslösen
der Längs-Koppelelemente 15 erfolgt
ebenfalls nach Überschreiten
von jeweils konstruktiv vorgegebenen Lösekräften, welche in diesem Fall
parallel zu den im Fahrbetrieb auftretenden Kräften verlaufen. Die Lösekräfte sind
dabei so wählen, dass
bei nach Überschreiten
einer Relativverzögerung zwischen
Fahrgastzelle 2 und Grundrahmen 3 im Bereich von
5g bis 10g eine Auslösung
erfolgt.
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Ein
Lösen der
Koppelelemente 14, 15 und 16 lässt sich
dabei z. B. durch Reibelemente, Bauteile mit Sollbruchstellen oder
auch durch pyrotechnische Elemente erreichen.
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Nach
dem Lösen
der Koppelelemente ist die Fahrgastzelle 2 in Längsrichtung
freigegeben und durch die Fangverbindung 17 in Vertikal-
sowie Querrichtung geführt.
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Wie
in 6 ersichtlich ist, gleitet die Fahrgastzelle 2 dann
infolge der Relativverzögerung
zum Grundrahmen 3 entlang der Führungsschienen 18 und
erfährt
dabei eine Bewegung relativ zum Grundrahmen 3 nach vorn
oben.
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In 5 ist
ersichtlich, dass jeder Gleitklotz 20 der Fahrgastzelle 2 bei
seiner Bewegung längs der
zugeordneten Führungsschiene 18 eine
Vielzahl von Crash-Elementen 22 an deren Oberseite beaufschlagt,
wobei durch Deformation der Crash-Elemente 22 Bewegungsenergie
der Fahrgastzelle 2 abgebaut wird.
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Der
für die
Insassen relevante Deformationsweg im Falle eines Frontalaufpralls
des Kraftwagens 1 ergibt sich als Summe aus dem Deformationsweg des
Grundrahmens 3 sowie der Verschiebung der Fahrgastzelle 2 relativ
zum Grundrahmen 3 und ist durch deren vertikalen Anteil
gegenüber
dem eines Kraftwagens mit einem konventionellen, einteiligen Aufbau
deutlich verlängert.
Weiterhin ergibt sich durch die Vielzahl der Crash-Elemente für die Fahrzeuginsassen
eine gleichmäßige Verzögerungskennlinie.
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Die
Endlage der Fahrgastzelle 2 nach dem Aufprall ist in 6 durch
eine gestrichelte Linie veranschaulicht.