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Radabstützung und Verbundfederung für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine Radabstützung und Verbundfederung für Fahrzeuge,
insbesondere Kraftfahrzeuge und Kraftfahrzeuganhänger, mit Kräfteausgleich zwischen
den tragenden Federn der Vorderräder und der Hinterräder und mit einer um die Querachse
des Fahrzeugs wirksamen Stabilisierungsfederung.
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Es sind bereits Ausführungen solcher Radabstützungen und Verbundfederungen
bekannt, die auch in einem in Großserie produzierten Kraftfahrzeug verwendet sind.
Der Kräfteausgleich zwischen den tragenden Federn der Vorderräder und jenen der
Hinterräder erfolgt beispielsweise durch Winkelhebel (s. auch deutsche Patentschrift
380 290), die nahe der Räder am Fahrzeugrumpf in etwa vertikalen Längsebenen
schwenkbar gelagert sind, wobei sich die etwa waagerechten Schenkel der Winkelhebel
auf die Räder abstützen und die Enden der etwa senkrechten Schenkel auf jeder Seite
des Fahrzeugs untereinander verbunden sind. Die tragenden Federn können entweder
zwischen den Enden der waagerechten Schenkel und den Rädern oder zwischen den Enden
der senkrechten Schenkel untereinander angeordnet sein. Nach einem anderen System
(z. B. USA.-Patentschrift 2 607 611) ist für den Kräfteausgleich
je Fahrzeugseite eine annähernd in der Längsrichtung des Fahrzeugs liegende
Drehstabfeder vorgesehen, die an beiden Enden über zueinander entgegengesetzt gerichtete
Hebel mit den Radabstützungen des Vorder- bzw. Hinterrades verbunden ist. Außer
den tragenden Federn sind bei beiden Systemen noch zusätzliche Federn, sogenannte
»Stabilisierungsfedern« vorhanden, die den Fahrzeugrumpf um die Querachse des Fahrzeugs
gegenüber den Rädern stabilisieren. Diese Stabilisierungsfedem sind schwächer als
die tragenden Federn, müssen aber eine gewisse Spannkraft aufweisen, damit trotz
der Entkoppelung der tragenden Federn um die Querachse, die sich durch den Kräfteausgleich
ergibt, der Fahrzeugrumpf um die letztere Achse nicht völlig labil ist. Der erzielte
Kräfteausgleich wird also bis zu einem bestimmten Grad wieder aufgehoben. Der Umfang,
in dem dies geschieht, d. h. die Spannkraft der für die Aufrechthaltung um
die Querachse verbliebenen »Stabilisierungsfedern«, ist dann maßgebend
für
die Frequenz und Amplitude der verschiedenartigen Nickschwingungen, nämlich
sowohl der durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen, über die Stabilisierungsfedern
als Koppelglieder angeregten Nickschwingungen wie der beim Bremsen und Beschleunigen
entstehenden, die durch die Weiterleitung der Brems- oder Beschleunigungsreaktionen
von den Bremsstatoren bzw. dem Achsantriebsgehäuse in den Fahrzeugrumpf zustande
kommen.
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Nachdem bei vorgegebener Masse und vorgegebenem Trägheitsmoment um
die Querachse die Beschleunigung der hervorrufenden Kraft direkt verhältig ist,
werden durch Fahrbahnunebenheiten die Nickschwingungen um so schwächer angestoßen,
je
geringer die Koppelkraft der Stabilisierungsfederung ist, d. h.
je weicher diese ausgelegt ist. Dies trifft jedoch nicht für die durch Bremsen
oder Beschleunigen zustande kommenden Nickschwingungen zu, weil die diese erregenden,
primär horizontalen Kräfte nicht über die Stabilisierungsfedern, sondern vermöge
der horizontalen Widerstandsleistung der Radführungsorgane aufgenommen werden müssen,
so daß sie in mehr oder weniger horizontaler Richtung direkt auf den Fahrzeugrumpf
übertragen werden. Hierbei leiten sie, wenn keine besonderen Vorkehrungen gegen
sie getroffen sind, eine Bewegung des Fahrzeugrumpfes um die Querachse ein, die
dann erst anschließend durch die Stabilisierungsfedern aufgefangen wird, und
je weicher diese sind, um so weniger bewegungshemmend sind sie in diesem
Fall, so daß sich also die Amplituden der durch Bremsen bzw. Beschleunigen zustande
gekommenen Nickschwingungen dem Rückstellmoment der Stabilisierungsfedem umgekehrt
proportional verhalten. Nachdem die beim Bremsen und Beschleunigen zustande kommenden
Nickschwingungen schon bei Fahrzeugen mit konventioneller Federung, d. h.
ohne Kräfteausgleich zwischen der Vorder- und Hinterachse, sehr groß und unangenehm
sind, liegt es auf der Hand, daß sie sich bei Fahrzeugen mit Verbundfederung und
Kräfteausgleich zwischen Vorder- und Hinterachse, bei denen das Rückstellvermögen
um
die Querachse gegenüber den Fahrzeugen mit konventioneller Federung,
wenn die Verbundfederung überhaupt einen Sinn haben soll, notgedrungen reduziert
ist, in noch viel unerwünschterer Weise bemerkbar machen müssen, so daß hierin ein
Grund liegt, der die Verbreiterung der an sich gegenüber den Fahrbahnunebenheiten
besseren Verbundfederung beträchtlich erschwerte.
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Der Konstrukteur verfügt durch den Kräfteausgleich also zwar über
ein Mittel zur Reduktion der durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen Nickschwingungen,
er steht dabei aber vor der Wahl, entweder ein wesentlich stärkeres Brems- und Beschleunigungsnicken
in Kauf nehmen zu müssen, oder auf eine entscheidende Verringerung der durch Fahrbahnunebenheiten
zustande kommenden Nickschwin-,en zu verzichten. Der erhoffte Vorteil, um
dessentwillen der Kräfteausgleich vorgenommen wurde, geht also zum großen Teil wieder
verloren. Soweit sich das Schrifttum über bekannte Verbundfederungen mit Kräfteausgleich
mit der Verringerung des Bremsnickens befaßt, ist (vgl. USA.-Patentschrift 2
607 611) als Gegenwirkung gegen dieses nur die Stabilisierungsfederung in
Betracht gezogen.
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Nach der Erfindung wird das beschriebene Dilemma dadurch umgangen
und eine hinsichtlich beider Nickschwingungsformen voll befriedigende Lösung angestrebt,
daß bei einer Radabstützung und Verbundfederung der eingangs erwähnten Art Rad-bzw.
Achsführungselemente angeordnet sind, die den Brems- bzw. Beschleunigungssehub der
Räder in Punkten auf den Fahrzeugrumpf übertragen, die, in der Seitenprojektion
des Fahrzeugs gesehen, in oder nahe der Verbindungslinie zwischen dem Bodenberührungspunkt
des jeweiligen Rades und dem Schwerpunkt des Fahrzeugs liegen oder die in an sich
bekannter Weise für die Bewegung des mit dem Bremsstator bzw. Antrieb kraftschlüssig
zu denkenden Radaufstandspunktes des betreffenden Rades beim Durchfedern ein Momentanzentrum
ergeben, das in oder nahe der besagten Verbindungslinie liegt, wobei die um die
Querachse des Fahrzeugs wirksame Stabilisierungsfederung eine sehr geringe Steifheit
im Vergleich zu den tragenden, mit Kräfteausgleich arbeitenden Federn aufweist.
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Die zur Lösung der gestellten Aufgabe herangezogenen, an sich nicht
mehr neuen Rad- und Achsführungselemente (s. USA.-Patentschrift 2 354
219)
sind bisher nur in Verbindung mit herkömmlichen Federungen ohne Kräfteausgleich
zwischen Rädern der Vorder- und Hinterachse bekanntgeworden, so daß durch sie bisher
nur eine Verringerung des Brems- und Beschleunigungsnickens, nicht aber eine weitgehende
Verringerung der durch Fahrbahnunebenheiten hervorgerufenen Nickschwingungen erzielt
wurde.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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F i g. 1 zeigt dabei eine perspektivische Ansicht der Aufhängungs-
und Federungsteile, in der die Achsschenkel, der Fahrzeugrumpf und die Räder weggelassen
sind; F i g. II gibt eine Seitenansicht der Vorderradabstützung mit Schnitten
durch die Achsschenkelgelenke wieder, und F i g. Ill verdeutlicht in einer
Seitenprojektion des ganzen Fahrzeugs die Lage der Momentanzentren der Bewegung
der Radaufstandspunkte und die Kräftepläne für die Aufnahme des Brems- und Beschleunigungsschubs.
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In F i g. I ist im oberen Bildteil die Vorderradabstützung
erkennbar, die durch in Trapezen angeordnete Dreieckquerlenker erfolgt.
1 und 2 sind die oberen und 3 und 4 die unteren Dreieckquerlenker.
Die oberen Dreieckquerlenker 1 und 2 sind in den Achsen A-B und A-B" am Rahmen
oder der Rahmen-Boden-Anlage des Fahrzeugrumpfes angelenkt. Die Anlenkungen der
unteren Dreieckquerlenker 3 und 4 am Fahrzeugrumpf erstrecken sich in den
Achsen E-F und 9-F. Sämtliche Anlenkachsen der Dreieckquerlenker verlaufen nach
rückwärts in Richtung der querliegenden Achse Y-Z. Die hinteren Arme der oberen
Dreieckquerlenker 1 und 2 sind zwecks Aufnahme der Federkräfte als Winkelhebel
ausgeführt und weisen an deren nach unten zeigenden senkrechten Schenkeln universalbewegliche
Gelenke 5
und 6 auf. Von diesen aus führen kurze, annähernd waagerecht
verlaufende Laschen 7 und 8 zu universalbeweglichen Gelenken
9 und 10, die sich an den oberen Enden zweier stehender einfacher
Hebel befinden, die an als Keilnutenhülsen ausgebildeten Zapfen 11 und 12
angebogen sind. Die Zapfen 11 und 12, deren Achsen etwa in der Längsrichtung
des Fahrzeugs liegen, sind am Fahrzeugrumpf drehbar gelagert. Mit diesen Zapfen
11 und 12 sind kraftschlüssig die tragenden Drehstabfedem 13 bzw.
14 gekuppelt, die sich etwa in Längsrichtung des Fahr-,zeugs von der Vorderradabstützung
bis zur Hinterradabstätzung erstrecken, wobei sie in der Mitte des Fahrzeugs noch
zwecks Vermeidung von Vibrationen mit den Verdickungen 15 bzw.
16 frei drehbar am Fahrzeugrumpf gelagert sind. Nahe der Hinterachse münden
die Drehstabfedern 13 und 14 kraftschlüssig in mit ihnen fluchtende, ebenfalls
am Fahrzeugrumpf drehbar gelagerte Zapfen 17 bzw. 18 in Form von Keilnutenhülsen.
Diese tragen rückwärts querliegende, nach der Fahrzeugaußenseite zeigende waagerechte
Hebel 19 bzw. 20, die mit ihren äußeren Enden über in F i g. 1 teilweise
verdeckte, in F i g. III jedoch voll erkennbare Universalgelenke 21 bzw.
22 mit den unteren Enden von Hängehebeln 23 bzw. 24 verbunden sind, welche
in den Lagerungen 25 bzw. 26 beidseitig an der als Starrachse ausgebildeten
Hinterachse 27 angreifen. Auf diese Weise wird die Hinterachse entsprechend
einer bekannten Anordnung um die Hochachse und unten in Längsrichtung "eführt, 01
ohne daß dort eine Querführung erfolgt.
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Die Querführung und obere Längsführung geschieht über ein oberhalb
des Differentialgehäuses befindliches Universalgelenk 28 durch einen Dreiecklängslenker
29, der durch die Lager 30 und 31 um eine waagerechte Querachse
beweglich im Fahrzeugrumpf gelagert ist. Der Dreiecklängslenker 29 liegt
entgegen der bekannten Anordnung jedoch in seiner Mittelstellung nicht horizontal,
sondern steigt in dieser von vom nach hinten entsprechend der Linie I-J (F i
g. III) an. An seiner rechten Strebe greift nahe seiner Spitze über ein Universalgelenk
32 auch ein senkrechtes Zugglied 33 an, dessen unteres Ende durch
ein Universalgelenk 34 mit einem quer im Fahrzeug liegenden waagerechten Hebel
35 verbunden ist, der mittels des Zapfens 36 um eine längsliegende
waagerechte Achse im Fahrzeugrumpf beweglich ist. In diesen Zapfen mündet kraftschlüssig
eine wesentlich schwächer als die tragenden Drehstabfedem 13 und 14 ausgebildete
Drehstabfeder 37, die als Stabilisierungsfeder
zur Aufrechthaltung
des Fahrzeugrumpfes um die Querachse dient und in der Fahrzeugmitte durch ein Keilwellenprofil
38 gegenüber dem Fahrzeugrumpf verankert ist.
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In F i g. II, die Achsschenkelanordnung zeigend, sind
1 und 3 die Dreieckquerlenker des linken Vorderrades und
39 ist dessen Achsschenkel. Der in diesem gelagerte Achssehenkelbolzen 40
greift an den Enden der Dreieckquerlenker 1 und 3 durch Augen an,
die mittels Universalbeweglichkeit ergebender Gummigelenke 41 und 42 auf den durch
die Endgabeln der Querlenker führenden Bolzen gelagert sind. Hierdurch wird beim
Ein- und Ausfedern des Rades eine Drehung des Achsschenkels 39 und des mit
diesem verbundenen feststehenden Teils der Bremse um eine quer im Fahrzeug liegende
waagerechte Achse ermöglicht, die sich infolge der Konvergenz der AnlenkachsenA-B
und E-F der Dreieckquerlenker rechts vom Bild hinter der Vorderradabstützung befindet.
Um diese Achse würde sich infolge der Kraftschlüssigkeit mit der Bremse auch jeder
Punkt eines blockierten Rades drehen.
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Aus F i g. 111 ist die genaue Lage der Anlenkachsen A-B
und E-F (bzw. A'-B' und E-F) der Dreieckquerlenker in der Seitenprojektion
des Fahrzeugs ersichtlich. Für die beim Federn entstehende Bewegung eines in der
Mittellage mit dem Radaufstandspunkt identischen Punktes R, des blockiert gedachten
Vorderrades ergibt sich durch diese Anlenkungsgeometrie das Mittellagen-Momentanzentrum
im Schnittpunkt der zu den Anlenkachsen A-B und E-F parallelen, durch die
Universalgelenke 41 und 42 gehenden Achsen C-D und G-H als Mz,.
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Ferner geht aus F i g. 111 auch hervor, wie aus der Lage der
Anlenkachse K-L der Zapfen 17 bzw. 18
für den Hebel 19 bzw.
20 der Hinterradabstützung sowie aus der Mittelstellungslage des zur Hinterradabstützung
gehörenden Dreiecklängslenkers 29 in der Seitenprojektion des Fahrzeugs die
Bewegungsverhältnisse an der Hinterachse zu ermitteln sind.
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Es wird bemerkt, daß die in der nachträglich eingereichten F i
g. III dargestellte Anordnung insofern von der in F i g. I dargestellten
abweicht, als in F i g. 111 im Interesse der übersichtlichkeit des Kräfteplanes
die Anlenkachse K-L etwas nach vom oben ansteigend dargestellt wurde, während sie
an sich gemäß der Erläuterung der F i g. I im Ausführungsbeispiel, in dem
gerade durchlaufende Drehstäbe 13, 14 angenommen sind, mit den Achsen der
Zapfen 11 und 12 fluchtet. Diese abweichende Darstellung ist aber ohne Bedeutung
für die Funktion der ganzen Anordnung, denn für die Federungsbewegung eines in der
Mittelstellung mit dem Radaufstandspunkt identischen Punktes Rh des blockiert gedachten
Hinterrades ergibt sich das Mittellagen-Momentanzentrum im Schnittpunkt der zur
Anlenkachse K-L parallelen, durch das Universalgelenk 21 bzw. 22 gehenden Achse
M-N mit der durch die Gelenke 28 und 30 des Dreiecklängslenkers
29 gezogenen Geraden IJ, deren Lage verhältnismäßig frei wählbar ist, als
Mzh.
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Die auf die beschriebene Weise ermittelten Momentanzentren Mz, und
Mzh können als diejenigen Punkte gelten, in denen, wenn auch nicht effektiv, so
doch physikalisch gesehen, die Bremsschübe BS, der Vorderräder und BSh der Hinterräder
bei Federungsmittellage auf den Fahrzeugrumpf übertragen werden. Es ändert sich
auch nichts dadurch, daß die Räder während des Bremsvorgangs meist nicht blockiert
sind (was nur zur Erleichterung des Verständnisses angenommen wurde), sondern sich
drehen, weil jeder Schub eines Rades, ob von einem blockierten oder nur leicht gebremsten
Rade stammend, nur in den Richtungen R,-Mz, bzw. Mzh-Rh übertragen werden kann und
weil die in Mz, und Mzh auftretenden Hemmkräfte, die in den Kräfteparallelogrammen
durch die horizontalen KomponentenP und T dargestellt sind, unabhängig vom Reibwert
der Bremsung stets den Radschüben BS, und BSh entsprechen. Unter Umkehrung
aller Kräfte verhält es sich so auch mit den Antriebsschüben der antreibenden Räder
(im Ausführungsbeispiel der Hinterräder). Die Komponente W entspricht dem Antriebsschub
AS.
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Betrachtet man nun die Auswirkung der aus den Radschüben stammenden
Kräfte auf den Fahrzeugrumpf, so ist festzustellen, daß die Momentanzentren Mz,
und Mzh in den Verbindungsgeraden R,-S (zwischen dem Radaufstandspunkt der Vorderräder
und dem Schwerpunkt) bzw. S-R1, (zwischen dem Schwerpunkt und dem Radaufstandspunkt
der Hinterräder) liegen, so daß die beim Bremsen in den genannten Momentanzentren
auftretenden Kräfte entsprechend den Resultanten 0 und R der Kräfteparallelogramme
direkt in Richtung des Schwerpunkts bzw. von diesem fort wirken. Es treten also
um den Schwerpunkt keine Drehmomente auf, da die senkrechte, aufwärts zeigende Komponente
Q der Kraft 0 das durch die Komponente P bestimmte Tauchbestreben
des Vorderwagens kompensiert, während die senkrechte, abwärts zeigende Komponente
U der Kraft R das durch die Komponente T bestimmbare Aufrichtbestreben des
Hinterwagens eliminiert. Ein Bremsnicken findet also nicht statt. Ebenso verhält
es sich auch beim Beschleunigen. Der Antriebsschub AS der Hinterräder wird
im Momentanzentrum MZh direkt in Richtung des Schwerpunkts S auf den Fahrzeugrumpf
übertragen, wobei die Komponente X der Kraft Y das durch die Komponente W
repräsentierte Tauchbestreben des Hinterwagens unterbindet.
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Das Wesentliche bei der beschriebenen und dargestellten Anordnung
besteht nun in den Auswirkungen, die sich durch das Zusammenspiel der Einrichtung
zur Verhinderung des Brems- und Beschleunigungsnickens mit den einen Kräfteausgleich
zwischen Vorder- und Hinterrädern herbeiführenden Bauelementen ergeben. Da sowohl
das vom Bremsen wie das vom Beschleunigen stammende Nicken des Fahrzeugrumpfes unterbunden
ist, kann nämlich die Stabilisierungsfederung im Hinblick auf die von den Fahrbahnunebenheiten
angeregten Nickschwingungungen viel günstiger ausgelegt werden. Die um die Querachse
des Fahrzeugs wirksame Stabilisierungsfeder 37 kann im Verhältnis zu den
tragenden Drehstabfedem 13 und 14 viel weicher und schwächer gewählt werden,
als es bei den bekannten Ausführungen von Fahrzeugen mit Kräfteausgleich zwischen
Vorder- und Hinterrädern möglich ist. Dies bedeutet, daß auch die durch Fahrbahnunebenheiten
hervorgerufenen Nickschwingungen in entscheidender Weise verringert sind. Es werden
durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Radabstützung also nicht nur die bisherigen
Nachteile derartiger Ausgleichsfederungen vermieden, sondern auch der Fahrkomfort
bei gleichmäßiger Fahrt gesteigert.
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Als Nebenwirkungen ergeben sich dabei noch Verringerung der Torsionsbeanspruchungen
des Fahrzeugrumpfes,
sämtlicher sonstiger Beansprachungen, Verminderung
der Geräusche, geringerer Reifenverschleiß, Kraftstofferspamis und gleichmäßigere
Raddrücke. Es werden also die Fahreigenschaften, darunter die Fahrsicherheit, ganz
allgemein verbessert.
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Es ist selbstverständlich, daß eine Ausführung gemäß der Erfindung
von dem in den Figuren gezeigten Beispiel abweichen kann. So können z. B. an Stelle
der dargestellten Drehstabfedern auch Schraubenfedem oder andere Federelemente vorgesehen
werden. Ebenso müssen als längsstabilisierende Radführungen durchaus nicht die dargestellten
zur Anwendung kommen, sondern es lassen sich auch alle anderen Radführungen mit
Gegenwirkung gegen das Brems- und Beschleunigungsnicken benutzen.
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Die in der Beschreibung und den Zeichnungen dargelegten Bedingungen
hinsichtlich der Lage der MomentanzentrenMz, und Mzh müssen auch nicht voll erfüllt
werden, denn es läßt sich auch schon eine sehr erhebliche Verbesserung erzielen,
wenn sie nur annähernd eingehalten sind.