DE19756909A1 - Fahrzeug mit einem Rahmen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit einem Rahmen nach dem Oberbe­ griff der Ansprüche 1, 2 und 8.

Gattungsgemäße Fahrzeuge wurden ab dem Jahr 1974 von der Firma Citroen unter der Modellbezeichnung CX2000 und CX2200 hergestellt. Der Rahmen dieser Fahr­ zeuge ist als Fahrgestell ausgebildet und nimmt das Antriebsaggregat sowie die Vorder- und Hinterachse auf. Der Aufbau ist über 16 Koppelelemente an das Fahr­ gestell angebunden.

Durch die elastische Verbindung des Fahrgestells, das die schwingungserzeugen­ den Komponenten (Antriebsaggregat, Achsen) aufnimmt, mit dem Fahrzeugaufbau wird bei dem bekannten Fahrzeug ein relativ niedriger Innengeräuschpegel erreicht. Aufgrund der großen Anzahl von Koppelelementen ist jedoch die Einleitung eines nicht unbeträchtlichen Anteils von Schwingungen in den Fahrzeugaufbau unver­ meidlich. Außerdem wirkt die Brennkraftmaschine am vorderen Endabschnitt des Fahrgestells als Schwingungserreger, über den Schwingungen in das Fahrgestell und damit den Fahrzeugaufbau übertragen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des bekannten Stand der Technik zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2 und 8 jeweils für sich oder in Kombination gelöst.

Kerngedanke der Erfindung gemäß Anspruch 1 ist es, den Rahmen nur in den Be­ reichen an den Fahrzeugaufbau anzubinden, in denen Schwingungsknoten der Bie­ geeigenformen des Rahmens vorliegen. Dabei wird angestrebt, die Koppelelemente zumindest in den Bereichen der Schwingungsknoten der ersten und zweiten Biege­ eigenformen zu plazieren. Durch dieses Konstruktionsprinzip wird verhindert, daß bei Biegeschwingungen des Rahmens durch die Koppelelemente Schwingungs­ energie in den Fahrzeugaufbau übertragen wird. Derartige Biegeschwingungen ent­ stehen einerseits durch das Antriebsaggregat sowie durch am Rahmen angeordnete Nebenaggregate (Klimakompressor, Standheizung, etc.) und andererseits durch fahrbahnseitige Krafteinleitung. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik sind die Koppelelemente damit nicht "willkürlich" (gemäß den konstruktiv bestmögli­ chen Anbindungsorten) entlang des Rahmens verteilt, sondern aufgrund schwin­ gungstechnischer Berechnungen und Untersuchungen gezielt angeordnet. Damit befindet sich der Fahrzeugaufbau für die betrachteten Biegeeigenformen außerhalb des Kraftflusses der Gesamtstruktur, so daß die Körperschallübertragung maßgeb­ lich reduziert wird.

Eine Anordnung der Koppelelemente exakt in Schwingungsknoten des Rahmens ist in der Praxis nicht realisierbar. Die Plazierung der Koppelelemente im Bereich der Schwingungsknoten ist jedoch, ausreichend, da hier nur sehr geringe Schwing­ amplituden vorliegen. Untersuchungen der Anmelderin an mehreren Fahrzeugkon­ zepten haben darüber hinaus ergeben, daß sowohl die Biegeschwingungen erster Ordnung als auch höherer Ordnungen in einem engen Bereich Schwingungsknoten aufweisen, so daß auch in Bezug auf höhere Biegeeigenformen des Rahmens eine weitreichende Schwingungsisolierung möglich ist.

Durch die Aufteilung "Rahmen - separater Fahrzeugaufbau" ergibt sich darüber hin­ aus ein günstiger Fertigungsprozeß, der in einfacher Weise die Ableitung von Fahr­ zeugvarianten ermöglicht.

Gemäß Anspruch 2 können alternativ oder zusätzlich Torsionseigenformen des Rahmens minimiert werden, indem die Koppelelemente im Bereich von Schwin­ gungsknoten der Torsionseigenformen angeordnet werden.

Die Koppelelemente werden z. B. von konventionellen Gummi-Metall-Lagern gebil­ det. Ebenso kommen Hydrolager mit optimiertem Federungs- und Dämpfungsver­ halten in Betracht. Regelbare Hydrolager sind beispielsweise für den Fall einer ge­ zielten aktiven Regelung der Koppelelemente vorzusehen (Anspruch 3). Damit kann je nach der momentan dominierenden Schwingform (Biegung oder Torsion) die eine oder die andere Gruppe von Koppelelementen bzw. können einzelne Koppel­ elemente (de)aktiviert werden. Dies hat seinen Grund darin, daß sich die Schwin­ gungsknoten der Torsionseigenformen des Rahmens zumindest teilweise im Be­ reich von Schwingungsbäuchen der Biegeeigenformen befinden und somit eine gleichzeitige Minimierung der beiden Schwingformen nicht möglich ist.

Daneben können gemäß Anspruch 3 die Koppelelemente je nach Fahrzeugzustand und Beladung bzw. aktuellem Schwingungszustand gezielt angesteuert oder geregelt werden. Dazu wird die Federrate und/oder Dämpfung beispielsweise von regelbaren Hydrolagern je nach Fahrzeuggewicht, Fahrbahnanregung, Fahrzeug­ geschwindigkeit, Quer- und Längsbeschleunigung, etc. verändert, um einerseits den Fahrkomfort zu optimieren und andererseits die Schwingungsübertragung zu mini­ mieren.

Rahmen aus Leichtmetall gemäß Anspruch 4 können beispielsweise aus Strangpro­ filen oder aus tiefgezogenen Blechteilen hergestellt werden. Durch die Werkstoff­ wahl ergibt sich ein niedriges Eigengewicht des Rahmens bei gleichzeitig hoher sta­ tischer und dynamischer Steifigkeit und hohem Energieabsorptionsvermögen.

Selbstverständlich können anstelle von Leichtmetallen auch andere Leichtbauwerk­ stoffe, wie z. B. Faserverbundwerkstoffe, eingesetzt werden.

Im Sinne einer konsequenten Funktionstrennung von Rahmen und Fahrzeugaufbau kann der Rahmen gemäß Anspruch 5 zusätzlich so ausgelegt werden, daß er im Falle eines Crashs durch gezielte Verformung kinetische Energie abbaut. Der Fahr­ zeugaufbau muß somit lediglich eine ausreichende Steifigkeit für den Fall eines Fahrzeugüberschlags und zur Abstützung der eigenen Trägkeitskräfte (Eigenmasse, Insassen, Zuladung) aufweisen. Ansonsten kann der Fahrzeugaufbau optimal hin­ sichtlich seiner eigentlichen Aufgabe, der Aufnahme von Insassen und Transportgut, ausgelegt werden.

Bei Ausbildung eines Fahrzeugaufbaus gemäß Anspruch 6 kann im Vergleich zu herkömmlichen selbsttragenden Fahrzeugaufbauten aus metallischen Werkstoffen eine deutliche Gewichtsreduzierung (in der Größenordnung von ca. 50%) erreicht werden. Bei Integration der Knautschzone des Fahrzeugs in den Rahmen, wie unter Anspruch 5 beschrieben, hat der Fahrzeugaufbau nur reduzierte Crashanforderun­ gen zu erfüllen, so daß z. B. Faserverbundwerkstoffe mit optimiertem Laminataufbau und damit geringem Eigengewicht eingesetzt werden können.

Anspruch 7 beschreibt eine besonders verwindungs- und biegesteife Ausführung eines Rahmens.

Anspruch 8 schlägt erfindungsgemäß vor, die Brennkraftmaschine "liegend" anzu­ ordnen, so daß die freien Massenkräfte in Längsrichtung des Rahmens eingeleitet werden. Da der Rahmen in Längsrichtung im Vergleich zur Anregung in vertikaler Richtung eine hohe Impedanz (Faktor ca. 20 bis 30) aufweist, wird durch die erfin­ dungsgemäße Anordnung der Brennkraftmaschine nur in geringem Maß Körper­ schall am Rahmen induziert.

Mit der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 kann insbesondere der vor­ dere Bereich des Rahmens optimal auf die Funktion "Energieabsorption" hin aus­ gelegt werden. Selbstverständlich kann das Antriebsaggregat auch im mittleren oder vorderen Bereich des Rahmens angeordnet werden.

Durch eine Drehmomentenabstützung der Brennkraftmaschine im Bereich der Schwingungsknoten (Anspruch 10) wird die Einleitung von Schwingungen in den Rahmen weiter minimiert.

Das Prinzip der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug in der Seitenansicht und

Fig. 2 eine Draufsicht des Gegenstands von Fig. 1.

Bei einem erfindungsgemäßen Fahrzeug ist ein Fahrzeugaufbau 1 über Koppel­ elemente 2 bzw. 3 an einen Rahmen 4 angebunden. Der Aufbau 1 kann teilweise mittragend ausgebildet sein. Der Pfeil FR kennzeichnet die Fahrtrichtung. Im Heck­ bereich des Fahrzeuges ist ein Antriebsaggregat 5 mittels Lagerelementen 6 ange­ ordnet. Eine Drehmomentstütze 7 wirkt einer Verdrehung des Antriebsaggregates 5 entgegen. Das Antriebsaggregat 5 ist mit einer motornahen Kapselung zur akusti­ schen Isolation versehen. Eine gezielte Luftschalldämmung zwischen Fahrgastzelle und Motorraum mit nur wenigen Durchbrüchen reduziert die Luftschallübertragung weiter.

In Fig. 1 sind die Biegeeigenformen erster und zweiter Ordnung des Rahmens 4 mit den Linien 8 und 9 vereinfacht dargestellt. Der Biegeverlauf gemäß der Linie 8 weist hierbei zwei Knoten K_B1 auf, während außerhalb der Knotenbereiche K_B1 ent­ sprechend große Schwingamplituden A vorliegen. Die Knoten K_B1 liegen etwa im Bereich der vorderen Stirnwand des Fahrzeuges bzw. der Gepäckraumtrennwand. Die Linie 9, die die Biegeeigenform zweiter Ordnung repräsentiert, weist drei Knoten K_B2 auf, wobei die beiden äußeren Knoten K_B2 nahezu lagegleich mit den Knoten K_B1 der Biegeeigenform erster Ordnung sind.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Koppelelemente 2 im Bereich der Knoten K_Bn (mit n = 1, 2, . . .) wird prinzipbedingt nur eine sehr geringe Schwingener­ gie vom Rahmen 4 in den Fahrzeugaufbau 1 übertragen. Damit wird ein bestmögli­ cher Geräuschkomfort erreicht. Durch die erfindungsgemäße Bauweise kann die Eigenfrequenz des Fahrzeugs zudem in Richtung höherer und damit unkritischerer Frequenzen verschoben werden. So wurde beispielsweise bei einem erfindungs­ gemäßen Fahrzeug für den Rahmen 4 eine Eigenfrequenz von mehr als 40 Hz er­ reicht, während der Fahrzeugaufbau 1 eine Eigenfrequenz von ca. 30 Hz aufwies. Die Kombination aus Rahmen 4 und Fahrzeugaufbau 1 lag mit einer Eigenfrequenz von mehr als 32 Hz deutlich über der Eigenfrequenz von ca. 25 bis 30 Hz moderner Fahrzeugkarosserien in konventioneller selbsttragender Bauweise.

Das Antriebsaggregat 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Hubkolben- Brennkraftmaschine ausgeführt. Der Doppelpfeil 10 gibt die Richtung der freien Massenkräfte des liegend eingebauten Antriebsaggregates 5 an. Durch die Mas­ senkräfte wird der in Längsrichtung steife Rahmen 4 nicht in nennenswertem Maße zu Biegeschwingungen angeregt.

Die Draufsicht gemäß Fig. 2 zeigt die Anordnung der Koppelelemente 2 und 3 am Rahmen, der sich aus zwei seitlichen Längsträgern 11, einem Mittelträger 2 und zwei Querträgern 13 zusammensetzt. Der in der Fahrzeugmitte verlaufende, durch­ gehende Mittelträger 12 stützt das im Heck des Fahrzeugs angeordnete Antriebs­ aggregat 5 bei einem Frontalcrash wirkungsvoll in Fahrtrichtung FR ab.

Während die Koppelelemente 2, im Bereich der Schwingungsknoten K_B1 und K_B2 der Biegeeigenform angeordnet sind, ist ein zusätzliches Koppelelement 3 in der Längsmittelachse des Rahmens 4 in einem solchen Bereich vorgesehen, wo ein Schwingungsknoten K_T1 der ersten Torsionseigenform (nicht dargestellt) des Rah­ mens 4 vorliegt.

Durch eine aktive Ansteuerung der Koppelelemente 2 und 3 wird bei Auftreten einer Torsionsbeanspruchung eine ,,Dreipunktabstützung" erreicht, indem das Koppelele­ ment 3 aktiviert und die beiden hinteren Koppelelemente 2 deaktiviert werden. Das Koppelelement 3 ist in demjenigen Abschnitt des Rahmens 4 zu plazieren, in dem bei Torsionsbeanspruchung an den benachbarten Koppelelementen 2 die größten Amplituden auftreten.

Bei dominierender Biegebeanspruchung ist in umgekehrter Weise zu verfahren, indem die Koppelelemente 2 aktiviert werden, bei gleichzeitiger Deaktivierung des Koppelelementes 3, um die Übertragung von Biegeschwingungen in den Fahrzeug­ aufbau zu unterbinden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erübrigt sich jedoch die Deaktivierung des Koppelelementes 3, da es sich im Bereich der Schwingungs­ knoten K_B1 und K_B2 der Biegeeigenformen befindet.

Die Koppelelemente 2 bzw. 3 können unter anderem beispielsweise als relativ ein­ fach aufgebaute Gummi-Metall-Lager ausgeführt werden. Die Gummielemente der Koppelelemente 2 bzw. 3 bestehen z. B. aus einem Elastomerwerkstoff mit einer Federrate von ca. 10³ bis 10⁴ N/mm².

Claims (10)

1. Fahrzeug mit einem Rahmen, der das Antriebsaggregat und/oder das Fahr­ werk des Fahrzeuges aufnimmt sowie mit einem Fahrzeugaufbau zur Auf­ nahme der Fahrzeuginsassen und von Transportgut, wobei Rahmen und Fahrzeugaufbau über Koppelelemente miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (2) im Bereich von Schwin­ gungsknoten (K_Bn) der Biegeeigenform(en) des Rahmens (4) angeordnet sind.

2. Fahrzeug mit einem Rahmen, der das Antriebsaggregat und/oder das Fahr­ werk des Fahrzeuges aufnimmt sowie mit einem Fahrzeugaufbau zur Auf­ nahme der Fahrzeuginsassen und von Transportgut, wobei Rahmen und Fahrzeugaufbau über Koppelelemente miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (3) im Bereich von Schwin­ gungsknoten (K_Tn) der Torsionseigenform(en) des Rahmens (4) angeordnet sind.

3. Fahrzeug nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Steuerung oder Regelung der Koppelele­ mente (2, 3).

4. Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (4) zumindest teilweise aus Leichtmetall besteht.

5. Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (4) zur Aufnahme kinetischer Energie bei einer Kollision des Fahrzeugs ausgebildet ist.

6. Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzeugaufbau (1) zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.

7. Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (4) zwei seitliche Längsträger (11) sowie einen Mittelträger (12) und wenigstens zwei Querträger (13) aufweist.

8. Fahrzeug mit einem Rahmen, der ein als Brennkraftmaschine ausgebildetes Antriebsaggregat und/oder das Fahrwerk des Fahrzeugs aufnimmt sowie mit einem Fahrzeugaufbau zur Aufnahme der Fahrzeuginsassen und von Trans­ portgut, wobei Rahmen und Fahrzeugaufbau über Koppelelemente miteinan­ der verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (5) so angeordnet ist, daß die Hauptwirkrichtung (10) der freien Massenkräfte der Brennkraftma­ schine (5) etwa in Längsrichtung des Rahmens (4) verläuft.

9. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (5) im Heck des Fahr­ zeugs angeordnet ist.

10. Fahrzeug nach Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentabstützung der Brennkraftma­ schine (5) im Bereich der Koppelelemente (2, 3) erfolgt.