DE19820617C2 - Kraftfahrzeug mit Schwingungsdämpfungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Cabriolet-Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. auf ein Kraftfahrzeug mit einem Tragrah­ men nach dem Oberbegriff des Anspruches 4.

Bei landgestützten Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Cabriolets mit einer selbsttra­ genden Karosserie, die aufgrund des fehlenden Daches bezüglich ihrer Stabilität ge­ schwächt ist, aber auch bei Rahmenfahrzeugen, etwa bei Motorrädern oder bei Fahr­ zeugen mit Aluminiumkarosserien, die von einem Profilrahmen getragen sind, stellt sich das Problem, daß eine äußere Anregung einer Schwingung, wie sie etwa durch das Überfahren unebener Fahrbahnen auftritt, zu einer Schwingungsanregung der Karosserie führt. Derartige Fahrzeugschwingungen stören Fahrkomfort und -sicherheit. Eine Schwingungsübertragung auf die Karosserie bzw. den tragenden Rahmen ist trotz Dämpfungselementen im Fahrwerk nicht auszuschließen. Die Karosserie sollte daher, insbesondere bei einem Cabriolet, mit eigenen, fahrwerksunabhängigen Dämpfungs­ elementen ausgestattet sein, die innerhalb kurzer Ansprechzeit die Schwingungsam­ plitude der Karosserie möglichst weitgehend verringern.

Es ist bekannt, der Karosseriestruktur sogenannte Schwingungstilger zuzuordnen, d. h. Dämpfungsmassen, die geeignet sind, Schwingungen bestimmter Frequenz, auf die die Tilger abgestimmt sind, zu dämpfen. Die Abstimmung ist jeweils nur für eine ein­ zelne Frequenz möglich, zudem ist eine Anpassung an den jeweiligen Fahrzeugtyp notwendig, wobei die Anordnung der Tilger in Karosseriehohlräumen oder dergleichen konstruktiv schwierig ist. Die Tilger selbst haben eine hohe Masse, was angesichts ei­ nes gewünschten energetisch sparsamen Betriebes des Kraftfahrzeuges unerwünscht ist.

Die DE 23 57 419 A1 zeigt einen Aufpralldämpfer, der in einem Kraftfahrzeug bei einem Unfall des Fahrzeugs einmalig eine Wirksamkeit entfaltet, derart, daß er im Kraftfahrzeug wegabhängig steuerbar ist und über eine geschwindigkeitsabhängige Auslösung Sicherheitsvorrichtungen betätigt, die zur Energieumwandlung während des Unfalls schwere Teile des Fahrzeugs von diesem abtrennen.

Die DE 39 05 650 C2 zeigt eine Fahrzeugkarosserie, die durch Streben verstärkt ist. Diese Streben sind hinsichtlich ihrer Länge nicht variabel und dienen ausschließlich zur Erhöhung der mechanischen Steifigkeit.

Die DE 38 21 368 A1 zeigt einen Schwingungstilger, der für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Er wirkt damit nicht auf das Schwingungsverhalten der Karosserie ein, sondern beeinflußt die Schwingungs­ übertragung von an der Karosserie gehaltenen Bauteilen. Die Schwingungstilger benötigen ein hohes Volumen und zeigen die oben genannten Nachteile.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Kraftfahrzeugkarosserie bzw. einen Kraftfahrzeugtragrahmen mit einer Schwingungsdämpfung auszustatten, die geeignet ist, direkt auf die Karosserie bzw. den Tragrahmen einzuwirken und dabei die o. g. Nachteile vermeidet.

Die Erfindung löst das Problem für ein Kraftfahrzeug mit einer selbsttragenden Karos­ serie, insbesondere ein Cabriolet-Fahrzeug, durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. für ein Kraftfahrzeug mit einem Tragrahmen durch die Merkmale des Anspruchs 4. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 3 und 5 bis 15 verwiesen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Kraftfahrzeuges kann dieses unab­ hängig von Fahrwerksmaßnahmen auf eine äußere Schwingungsanregung der Ka­ rosserie durch Längenvariation von Streben im Fahrbetrieb reagieren. Damit ist ein adaptives Dämpfungssystem geschaffen, bei dem eine Aufnahmeeinheit die Bean­ spruchung einer Strebe, und damit die Amplitude einer anregenden Schwingung, als Meßwert an eine Steuereinheit übergibt, die dann ein vorzugsweise in der Strebe lie­ gendes Stellglied mit einer Spannung beaufschlagt, woraufhin dieses eine Längenänderung bewirkt. Mit dieser Längenänderung einher geht eine Aussteifung der Karosserie bzw. des Rahmens, dem die jeweilige Strebe zugeordnet ist. Die we­ sentlichen Teile der Schwingungsdämpfungseinrichtung sind daher in den jeweiligen Streben enthalten, so daß ihr baulicher Aufwand wie auch ihre Masse gering sind.

Besonders vorteilhaft erfüllt eine derartige Strebe eine Doppelfunktion, indem sie neben der Schwingungsdämpfung zusätzlich die Funktion eines Aussteifungsbauteils bei einer selbsttragenden Karosserie bzw. eines tragenden Teils innerhalb eines Rahmens eines Kraftfahrzeugs ausbildet. Derartige Aussteifungsbauteile bei selbsttragenden Karosserien sind bei Cabriolet-Fahrzeugen üblich und erstrecken sich beispielsweise im wesentlichen diagonal von Längsrandbereichen der Bodengruppe bis in einen mittleren Bereich, um auf diese Weise die Verwindungssteifigkeit zu erhöhen. Sofern derartige Aussteifungsstreben ohnehin vorhanden sind, ist daher die Zusatzmasse, um eine adaptive Schwingungsgegensteuerung zu erhalten, minimal.

Gegenüber den üblichen Streben in diesem Bereich muß lediglich eine Teilung vorgenommen werden, in den mittleren Bereich werden dann die Aufnahmeeinheit und das Stellglied eingesetzt, die vorzugsweise Druck-Spannungs- bzw. Spannungs-Druck- Wandler enthalten.

Erfindungsgemäß ist eine Anpassung von Dämpfern an eine jeweilige Frequenz nicht notwendig, sondern die Längenveränderung der Streben kann bei verschiedensten Frequenzbereichen stattfinden und wird ausgelöst durch ein Überschreiten einer Mindestbeanspruchung der Strebe, d. h. durch die Höhe der Schwingungsamplitude. Dabei läßt sich eine Ansprechzeit in der Größenordnung von Millisekunden erreichen, die Auslenkung als Reaktion auf die zwischen den Anlenkungspunkten der Strebe festgestellte Beanspruchung liegt im Millimeterbereich.

Als Steuereinheit kann ein Rechner Verwendung finden, dem mittels eines Lern­ programms eine möglichst optimale Reaktion auf die jeweiligen Verhältnisse einge­ geben werden kann.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des Gegenstandes der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Bodengruppe eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit sich diagonal erstreckenden Aussteifungsstreben,

Fig. 2 eine weitere Bodengruppe eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit einer alternativen Anordnung von Aussteifungsstreben,

Fig. 3 einen erfindungsgemäße Streben umfassenden Tragrahmen eines Motorrads,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Strebe in Gesamtansicht,

Fig. 5 eine Teilansicht der ineinandergreifenden Hülsen der Strebe,

Fig. 6 ein Diagramm der Schwingungsanregung und -tilgung durch die erfindungsgemäßen Streben.

In einem Ausführungsbeispiel (Fig. 1) ist eine Kraftfahrzeugkarosserie 1, insbesondere Karosserie eines Cabriolet-Fahrzeugs, mit ihrer Bodengruppe 2 zugeordneten Streben 3 versehen, die symmetrisch bezüglich einer vertikalen Fahrzeuglängsebene 4 und einer vertikalen Fahrzeugquerebene 5 angeordnet sind. Derartige Aussteifungsstreben 3 sind grundsätzlich bekannt und als gesondert von den Karosserieblechen ausgebildete Profile dem Fahrzeugboden zugeordnet. Die Streben 3 sind an ihren Endpunkten 6 und 7 jeweils im Außenbereich bzw. einem mittleren Bereich der Bodengruppe 2 an der Karosserie 1 festgelegt. Hierfür sind beispielsweise die Enden 6 und 7 der Strebe 3 flanschartig abgeflacht und weisen Durchgangsbohrungen 8, 9 auf, die von Befestigungsmitteln durchgriffen werden. Auch ein Verschweißen oder andersartiges Festlegen der Streben 3 an der Karosserie 1 ist möglich.

Gemäß Fig. 2 ist die Anordnung der Streben 3 derart vorgenommen, daß deren der Fahrzeugquermitte 5 zugewandte Enden 7 aufeinander zulaufen und die äußeren Enden 6 dem Bereich der Radhäuser zugeordnet sind. Die Festlegung der Streben­ enden 6 kann an Teilen der Karosserie oder am Fahrwerk erfolgen.

Die Anordungen der Streben 3 bezüglich der Karosserie sind so zu wählen, daß sie Karosserieverwindungen entgegenwirken, beispielsweise durch die gezeigten Dia­ gonalverläufe. Weiterhin können erfindungsgemäße Streben auch beispielsweise als Domstreben über den vorderen oder hinteren Federdomen eingesetzt werden, in Seitenschwellern oder im Bereich von Querträgern oder Überrollbügeln, um nur einige Möglichkeiten zu nennen.

Die Streben 3 können in die Bodengruppe 2 oder in andere Bereiche der Karosserie 1 integriert sein und müssen keine gesonderten Bauteile ausbilden. Bei ohnehin vorhandenen Aussteifungsstreben der Karosserie 1 erfüllen diese bei erfindungs­ gemäßer Ausbildung eine Doppelfunktion: Sie dienen einerseits als herkömmliche Aussteifungsbauteile, zudem erfüllen sie eine adaptive Schwingungsdämpfung, sind also neben den passiven Aussteifungsbauteilen auch aktive Beeinflussungsglieder des Schwingungsverhaltens der Karosserie 1.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeichnet) bildet eine erfindungsge­ mäße Strebe einen Teil eines Gitterrohrrahmens aus, der als Tragrahmen eines Personenkraftfahrzeugs dient und durch ein Fachwerk von Verstrebungen gebildet ist. Einzelne dieser Verstrebungen können durch erfindungsgemäße Streben ersetzt sein, so daß der den Insassenraum umgebende Rahmen nicht starr ist, sondern, wie unten näher ausgeführt, auf äußere Schwinungsanregungen durch Längenvariation der Streben reagieren kann.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ist der Tragrahmen 1b eines Motor­ rades, der ebenfalls einen Fachwerktragrahmen ausbildet, mit erfindungsgemäßen Streben 3b versehen. Insbesondere im Hochgeschwindigkeitsbereich besteht die Gefahr, daß im Motorradrahmen Pendelschwingungen um die Längsachse auftreten, die sich aufschaukeln können und zu einem unkontrollierten Fahrverhalten bis hin zum Sturz führen. Auch hier kann der Schwingungsanregung durch Längenvariation der Streben 3b begegnet werden, die damit eine Aussteifung des gesamten Tragrahmens 1b bewirken und für eine Absorption der anregenden Schwingung sorgen.

Erfindungsgemäße Streben 3, 3b können in verschiedensten Formen, auch als Winkelstreben oder dergleichen, ausgebildet sein. Es kommen Rohr-, Kasten- oder an­ dersgeartete Profile in Frage. Die Strebe weist zumindest einen Teilungsbereich 10 auf, an dem die Strebenteile 11, 12 relativ zueinander verschieblich sind. Im Tei­ lungsbereich 10 ist eine äußere Hülse 13 gegen eine innere Hülse 14 verspannt. Im Innern der ineinandergreifenden Hülsen 13, 14 befinden sich das Stellglied 15 und die Aufnahmeeinheit 16. Mit dieser wird die Beanspruchung der Strebe 3, 3b erfaßt, d. h. insbesondere eine Stauchung oder Streckung der Strebe. Diese Beanspruchung wird in ein elektrisches Signal über Druck-Spannungs-Wandler der Aufnahmeeinheit 16 umgesetzt, und das elektrische Signal wird über Steuerkabel 17 an eine Steuereinheit - nicht eingezeichnet - übertragen. Von dieser geht ein Steuersignal aus zur Beeinflussung des Stellglieds 15, das einen Spannungs-Druck-Wandler, beispielsweise ein Piezoelement, enthalten kann, das in Reaktion auf eine Ein­ gangsspannung seine innere Struktur und damit seine Außenabmessungen vermin­ dert. Das Stellglied 15 bewirkt daher eine Längenvariation, die auf die beiden Spannhülsen 13, 14 einwirkt und somit die gegeneinander verschieblichen Teile 11, 12 der Strebe 3 relativ zueinander bewegt. Über eine Längenzunahme des Stellglieds 15 wird daher eine Längenzunahme der Strebe 3 erreicht. In der Strebe 15 können mehrere Piezoelemente oder andere Spannungs-Druck-Wandler hintereinander angeordnet sein, ebenso wie in der Aufnahmeeinheit 16 mehrere Druck-Spannungs- Wandler angeordnet sein können.

Anstelle der Piezoelemente kommen für die Aufnahmeeinheit 16 bzw. das Stellglied 15 auch andere Bauteile und Längenbeeinflussungsmöglichkeiten in Frage.

In jedem Fall wird eine Beanspruchung der Strebe 3, wie sie durch eine Verwindung des Fahrzeugs hervorgerufen wird, über ihre endseitigen Festlegungen 6 und 7 auf die Aufnahmeeinheit 16 übertragen und detektiert, von hier aus wird ein entsprechendes Signal an die Steuereinheit weitergeleitet. Dieses Signal löst bei Überschreiten eines Schwellwerts (Fig. 6) das Stellglied 15 aus, das durch Längenänderungen auf die äußere anregende Schwingung reagiert. Insgesamt ist das Stellglied 15 permanent unter Druck gehalten, die Reaktion wird daher in jedem Fall in einer mehr oder weniger großen Streckung der Strebe 3 erfolgen. Die anregende Schwingung, in Fig. 6 als durchgezogene Linie dargestellt, wird bei Überschreiten des Schwellwerts durch Aussteifung mittels Längenänderung der Strebe 3 absorbiert. Die in Fig. 6 eingezeichnete durchgezogene Schwingungskurve wird entsprechend der gestrichelten Linie nach Auslösung des Stellglieds 15 bei Erreichen des Schwellwerts S1 auf nahezu Null zurückgeführt. Entsprechendes gilt für Erreichen des Schwellwertes bei S2. Die Schwingungen werden daher jeweils fast vollständig eliminiert, wobei der Schwellwert und die Reaktion für verschiedene Frequenzen über ein Lernprogramm der Steuereinheit optimiert werden können. Insbesondere ist hierbei der niederfrequente Bereich zwischen 1 Hz und 10 Hz interessant, auch bei höheren Frequenzen bis über 100 Hz arbeitet das System zuverlässig, eine Einschränkung auf nur bestimmte Frequenzen liegt nicht vor. Die Ansteuerung erfolgt allein durch die jeweilige Amplitude der Schwingung, ihre Frequenz ist variabel.

Insgesamt ist erfindungsgemäß ein Regelkreis ausgebildet, der eine auf das Fahrzeug einwirkende Schwingung, die eine Störkraft darstellt, über Sensoren der Auf­ nahmeeinheit 16 in einer Strebe 3 detektiert und dieser Störkraft eine Gegenkraft entgegensetzt im Sinne einer adaptiven Regelung, wobei die Adaption während der Fahrt erfolgen kann. Das System ist daher in der Lage, auf einen weiten Frequenz­ bereich mit einer jeweils die Schwingung auslöschenden Gegenkraft zu reagieren und benötigt lediglich eine Steuereinheit, die außerhalb der Strebe 3, 3b angeordnet ist, sowie in der Strebe angeordnete Sensoren der Aufnahmeeinheit 16 und Aktuatoren des Stellglieds 15.

Claims (15)

1. Kraftfahrzeug, insbesondere Cabriolet-Fahrzeug, mit einer Fahrzeugkarosse­ rie (1), der einen Längsverlauf aufweisende Streben (3) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Streben (3) längenvariabel ausgebildet ist und dieser eine schwingungsselektive Aufnahmeeinheit (16) zur Erfassung ei­ ner aus einer im Fahrbetrieb auftretenden Fahrzeugkarosserieverwindung resultie­ renden Längsbeanspruchung, ein Stellglied (15) zum Bewirken einer über die Befestigungen der Strebe auf die Fahrzeugkarosserie einwirkenden Gegenkraft sowie eine Steuereinheit für das Stellglied (15) zugeordnet sind.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe (3) ein Aussteifungsbauteil der Karosserie (1) ausbildet.

3. Strebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe (3) ein gegenüber Karosserieblechen gesondertes Bauteil ausbildet.

4. Kraftfahrzeug mit einem Tragrahmen (1b), der einen Längsverlauf aufwei­ sende Streben (3b) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Streben (3b) des Tragrahmens (1b) längenvariabel ausgebildet ist und dieser eine schwingungsselektive Aufnahmeeinheit (16) zur Erfassung einer aus einer im Fahrbetrieb auftretenden Fahrzeugkarosserieverwindung resultierenden Längsbe­ anspruchung, ein Stellglied (15) zum Bewirken einer über die Befestigungen der Strebe auf die Fahrzeugkarosserie einwirkenden Gegenkraft sowie eine Steuerein­ heit für das Stellglied (15) zugeordnet sind.

5. Kraftfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Streben (3; 3b) in symmetrischer Anordnung gemäß Anspruch 1 ausgebildet sind.

6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stre­ ben (3) von Eckbereichen der Karosserie (1) bis in einen mittleren Bereich des Fahrzeugbodens erstrecken.

7. Kraftfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe (3; 3b) ein mehrteiliges, an beiden Endberei­ chen (6, 6b; 7, 7b) festgelegtes Rohr- oder Rahmenprofil umfaßt.

8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe (3; 3b) in einem mittleren Bereich geteilt ist und im Teilungsbereich (10) zwei den jeweiligen Strebenteilen (11; 12) zugeordnete, ineinandergreifende Spannhülsen (13; 14) umfaßt.

9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell­ glied (15) innerhalb der Spannhülsen (13; 14) bzw. des Profils liegt.

10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnah­ meeinheit (16) dem Stellglied (15) benachbart ist.

11. Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ einheit aufgenommene Meßwerte in elektrische Spannungen zur Ansteuerung des Stellglieds (15) umsetzt.

12. Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer­ einheit außerhalb der Strebe (3; 3b) angeordnet ist.

13. Kraftfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinheit (16) Druck-Spannungs-Wandler enthält und eine detektierte Beanspruchung der Strebe (3; 3b) als elektrisches Signal wei­ terleitet.

14. Kraftfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (15) einen Spannungs-Druck-Wandler enthält und ein elektrisches Eingangssignal in eine auf die Strebenteile (11; 12) im Sinne einer Relativbewegung wirkende Kraft umsetzt.

15. Kraftfahrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aufnahmeeinheit (16) und/oder dem Stellglied (15) Piezoelemente enthalten sind.