DE3710226A1 - Hinterradaufhaengung fuer ein vorder- und hinterrad-gesteuertes fahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hinterradaufhängung für ein Vorder- und Hinterrad-gesteuertes Fahrzeug, insbesondere eine Hinterradaufhängung jener Art, die Veränderungen der Betätigungskräfte zu vermindern ver­ mag, welche notwendig sind, um einen gewissen Steuerwinkel der Hin­ terräder aufrechtzuerhalten.

Zahlreiche Hinter- und Vorderradsysteme wurden bereits vorgeschlagen. Auf die US-Patentanmeldungen 8 22 000, 8 22 293, 8 21 998, 8 22 008, 8 22 010 und 8 22 043 mit einer japanischen Priorität vom 24.01. 1985 wird verwiesen. Diese Anmeldungen betreffen Steuervorrichtungen für Fahrzeuge, die es ermöglichen, daß die Hinterräder entsprechend der Steuerung der Vorderräder in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindig­ keit gesteuert werden. Bei diesen Vorrichtungen werden die Hinterräder ganz allgemein im Hochgeschwindigkeitsbereich im selben Phasenverhält­ nis gesteuert, jedoch im Niedriggeschwindigkeitsbereich im entgegenge­ setzten Phasenverhältnis. Das Steuerwinkelverhältnis ist beispielswei­ se eine kontinuierliche Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, wobei das Steuerwinkelverhältnis dann einen positiven Wert oder ein Gleichphasen­ verhältnis annimmt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit einen bestimmten Wert überschreitet, jedoch einen negativen Wert oder ein Gegenphasenver­ hältnis dann annimmt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit diesen Wert unter­ schreitet, wobei das Verhalten des Fahrzeuges bei allen Geschwindigkeits­ bereichen verbessert wird. Da die Hinterräder bei geringer Geschwindig­ keit im Gegenphasenverhältnis gesteuert werden, werden sowohl der mini­ malste Wendewinkel wie auch die Differenz des inneren Radius der inneren und äußeren Räder (= das Maß der Differenz zwischen den Wegen der inneren und der äußeren Räder) drastisch verringert, und die Manövrierbarkeit des Fahrzeuges, beispielsweise beim Einfahren in eine Garage oder beim Durch­ fahren enger und gewundener Straßen sowie bei Kehrtwendungen, wird ganz erheblich verbessert. Beim Hochgeschwindigkeitsbereich wird auch das dynamische Seitenansprechverhalten des Fahrzeuges, z. B. beim Wechsel von einer Fahrspur auf die andere, sehr verbessert.

US-PS 42 95 657 offenbart eine Vorrichtung, bei der die Hinterräder im Gegenphasenverhältnis (opposite phase relationship) dann gesteuert wer­ den, wenn der Steuerwinkel klein ist, aber im selben Phasenverhältnis, wenn der Steuerwinkel groß ist. Dieser Aufbau vereinfacht den Steuer­ mechanismus der Hinterräder, und kann dennoch ganz wesentlich die sel­ be Wirkung zustande bringen, so wie die zuvor erwähnten Vorder- und Hinterrädersteuersysteme.

Da das Phasenverhältnis der Hinterräder in bezug auf die Vorderräder bei einem solchen Fahrzeug in Abhängigkeit vom Steuerwinkel der Steuer­ säule Veränderungen unterliegt, wird auch die Kraft zum Halten des Steuerwinkels der Hinterradänderungen dann verändert, wenn der Steuer­ winkel verändert wird. Dies kann für den Fahrer unangenehm sein. Die meisten Fahrzeuge sind mit hydraulischen Steuerhilfen ausgerüstet, je­ doch wird in den meisten Fällen die Reaktionskraft, ausgehend von der Straßenfläche auf die Räder, auf die Steuersäule übertragen, um die An­ wendbarkeit der Steuervorrichtung zu verbessern. Dies geschieht insbe­ sondere dadurch, daß man das selbstausrichtende Drehmoment der gesteuer­ ten Räder zuläßt, oder - in anderen Worten - das Drehmoment, das dazu neigt, die gesteuerten Räder in ihre neutralen Positionen zurückzubringen, um dem Fahrer die Steuerarbeit zu erleichtern.

Die Änderungen der Kraft zum Halten des Steuerrades bei gewissen Steuer­ winkeln (im folgenden Steuermoment genannt) wird in dem Maße stärker, als der Winkel eines jeden Hinterrades gesteigert und die Größe des selbst­ ausrichtenden Momentes erhöht wird. Werden die Winkel (die sogenannten Nach­ lauf-Winkel) der Hinterräder verringert, um die Fluktuation des Steuer­ momentes zu verringern, so kann die Fähigkeit der Hinterräder, einen ge­ raden Kurs einzuhalten, beeinträchtigt werden.

Im Hinblick auf die Probleme der vorbekannten Ausführungsformen liegt der Erfindung vor allem die Aufgabe zugrunde, eine Hinterradaufhängung für ein Vorder- und Hinterrad-gesteuertes Fahrzeug zu schaffen, wobei die Fluktuation oder Veränderung derjenigen Kraft verringert wird, die zum Halten des Steuerrades auf einem gewissen Steuerwinkel erforderlich ist (Steuermoment); gleichzeitig soll die Tendenz der Hinterräder sichergestellt werden, einen geradlinigen Kurs beizubehalten.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hinterrad­ aufhängung für ein Vorder- und Hinterrad-gesteuertes Fahrzeug zu schaffen, die die Fluktuation (Veränderung, Schwingung) der Steuer­ momente durch einfachen Aufbau sicherstellt.

Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben bei einer Aufhängung gemäß dem Gattungsbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptan­ spruches gelöst.

Macht das Fahrzeug eine scharfe Kehre und wird hierdurch die Karosserie, insbesondere deren Außenteil dazu gebracht, sich abzusenken und den äußeren Rändern näherzukommen, zu Folge der Zentrifugalkraft, die ja auf das Schwerezentrum des Fahrzeugkörpers wirkt, wobei der Nachlaufwinkel des äußeren Hinterrades ganz erheblich verringert wird, so wird das selbstausrichtende Moment in vorteilhafter Weise verringert, da das äußere Hinterrad, das während des Wendens des Fahrzeuges einer stärkeren vertikalen Belastung ausgesetzt ist, einen erheblich größeren Teil des selbstausrichtenden Momentes aufbringt, als das innere Hinterrad. Kreuzt das Fahrzeug oder wird es abgebremst, so hält ja die Karosserie einen gewissen vertikalen Abstand von den Hinterrädern ein und die Nachlauf­ winkel der Hinterräder werden daher vergrößert; daher haben die Hinter­ räder in vorteilhafter Weise eine relativ starke Tendenz, einen geraden Kurz einzuhalten. Die zum Aufrechterhalten eines gewissen Steuerwinkels erforderliche Kraft verändert sich somit mit zunehmendem Steuerwinkel nur sanft, und es herrscht gleichzeitig eine Tendenz der Hinterräder, einen geradlinigen Kurs beizubehalten.

Gemäß einem besonderen Gedanken der Erfindung wird eine solche caster- Winkel-Eigenschaft der Hinterräder durch einen Aufbau erzeugt, bei wel­ chem ein Lenker für jedes Hinterrad von einem oberen und einem unteren Arm getragen ist, die gelenkig den Lenker am Fahrzeug mit ihren jeweili­ gen beiden Enden befestigen; ferner ist eine umlaufende Axiallinie des oberen Armes mit ihrem vorderen Teil nach unten geneigt, während die um­ laufende Axiallinie des hinteren Armes sich im wesentlichen parallel zur Fahrzeuglängsrichtung erstreckt. Die Axiallinie des oberen Armes ist in ihrem vorderen Bereich außerdem einwärts geneigt.

Dieser Aufbau ist nicht nur deshalb vorteilhaft, weil er einfach ist, sondern auch deshalb, weil hierdurch die Tendenz des rückwärtigen Teiles des Fahrzeugkörpers zum Anheben bei einer starken Bremsung vermindert wird.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung die Aufhängung und das Steuersystem eines Fahrzeuges, das mit einer Hinterradaufhängung gemäß der Erfindung ausgerüstet ist,

Fig. 2 zeigt ein Diagramm der Aufhägung gemäß der Erfindung für eines der Hinterräder, und zwar in Draufsicht.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Aufhängung der Erfindung für eines der Hinterräder in Seitenansicht.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die die Abhängigkeit des caster- Winkels wiedergibt, entlang der horizontalen Achse, zur vertikalen rela­ tiven Verschiebung zwischen Fahrzeugkarosserie und Hinterrad, entlang der vertikalen Achsen, wobei die positiven Werte der relativen Verschie­ bung unterschiedlichen Werten des Anhebens der Karosserie aus ihrer neu­ tralen Position relativ zum Hinterrad entsprechen, während die negativen Werte der relativen Verschiebung unterschiedlichen Werten des Absenkens der Karosserie aus deen neutraler Position relativ zum Hinterrad ent­ spricht.

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen den Steuerwinkeln der Vorder- und Hinterräder veranschaulicht sowie die selbst­ ausrichtenden Momente, die durch die entsprechenden Radsätze erzeugt wurden.

Nun zu Fig. 1, in der ein Aufhängungssystem und ein Steuersystem ei­ nes Vorder- und Hinterrad-gesteuerten Fahrzeuges dargestellt ist, mit einer erfindungsgemäßen Hinterradsteuerung. Eine Steuersäule 2, die am Steuerrad 1 des Fahrzeuges befestigt ist, ist mit ihrem unteren En­ de an ein Zahnstangengetriebe 3 angeschlossen. Die beiden Enden der in der Zeichnung nicht dargestellten Zahnstange greifen an den inneren Enden von Verbindungsstangen mittels Kugelgelenken an. Die anderen En­ den, also die äußeren Enden der Verbindungsstangen 4, sind an Lenker 5 für das betreffende Vorderrad angeschlossen. Die Lenker 5 sind einteilig mit Lenkern 9, die die Vorderräder 8 tragen und die ihrerseits an ihren oberen und unteren Enden durch obere Arme 6 bzw. untere Arme 7 getragen sind, deren jeder gelenkig mit ihrem anderen Ende an die Fahrzeug­ karosserie angeschlossen ist.

Eine Ritzelwelle 10 erstreckt sich von Getriebe 3 aus nach hinten, das hintere Ende der Ritzelwelle 10 ist mittels eines Kardangelenkes 11 an eine Verbindungswelle 12 angeschlossen, die sich auf dem ganzen Wege zur Steuervorrichtung für die Hinterräder hin erstreckt. Ritzelwelle 10 ist mit einem hier nicht dargestellten Ritzel ausgerüstet, das mit der Zahnstange von Getriebe 3 kämmt; es läuft mit einem bestimmten Unter­ setzungsverhältnis um, wenn das Steurrad 1 verdreht wird.

Die Steuervorrichtung für die Hinterräder 21 umfaßt eine Eingangswelle 14, die an das hintere Ende der Verbindungswelle 12 mittels eines Kar­ dangelenkes 13 angeschlossen und an einer Lagerkonsole 15 der Karosserie befestigt ist, die ihrerseits am rückwärtigen Teil der Karosserie sitzt. Das hintere Ende der Eingangswelle 15, das nach hinten weist, ist an eine Kurbel 16 mit einem sich radial erstreckenden Arm 16 a angeschlossen. Das radial äußere Ende von Arm 16 a der Kurbel 16 ist wiederum an die inneren Enden eines Paares von Verbindungsstangen 17 mittels Kugelver­ bindungen angeschlossen. Die äußeren Enden der Verbindungsstangen 17 sind an Lenkerarm 18 der Lenker 22 für die Hinterräder 21 angeschlossen. Die Lenker 22 sind an ihren oberen bzw. unteren Enden von oberen Armen 19 bzw. unteren Armen 20 getragen.

Diese Arme 19 und 20 sind an ihren inneren Enden gelenkig mit der Karosserie verbunden, und zwar in einer ähnlichen Weise wie die ent­ sprechenden Teile für die Vorderräder. Die unteren Arme 20 sind fer­ ner an Radiusstangen 23 in ihren mittleren Bereichen angeschlossen, damit diese unteren Arme 20 gegen Reaktionskräfte versteift werden, die von der Straße auf die Räder 21 übertragen werden.

Die Lenker 19 und 22 sind durch Aufhängungssysteme 24 getragen, de­ ren jedes eine Schraubenfeder sowie einen Öldämpfer umfaßt.

Wird Steuerrad 1 verdreht, so werden die Vorderräder 8 durch die Steuerkraft gesteuert, die über Getriebe 3 sowie über die Verbindungs­ stangen 4 der Vorderräder 8 übertragen wird. Gleichzeitig wird das Steuermoment von Steuerrad 1 auch auf die Ritzelwelle 10 und von dort weiterhin zur Verbindungswelle 12 und zur Eingangswelle 14 übertragen. Bei dem Verdrehen von Eingangswelle 14 wird Kurbel 16 verdreht und es werden die Hinterräder 21 durch die Verbindungsstangen 17 gesteuert.

Gemäß der Erfindung ist die Kurbel 16 mit der Eingangswelle 14 derart fest verbunden, daß Arm 16 a dann vertikal nach unten hängt, wenn sich die Vorderräder 8 in ihrer neutralen Position befinden. Zu diesem Zeit­ punkt befinden sich ebenfalls die Hinterräder 21 in ihrer neutralen Position. Ist der Steuerwinkel klein und die Bewegung von Arm 16 a und Kurbel 16 auf einen Bereich unterhalb der Horizontalebene beschränkt, die die axiale Linie der Eingangswelle 14 umfaßt, so werden die Hinter­ räder 21 demgemäß im selben Phasenverhältnis wie die Vorderräder 8 ge­ steuert. Ist der Steuerwinkel jedoch groß und wird Kurbelarm 16 a ober­ halb der Horizontalebene verschwenkt, so werden die Hinterräder 21 im gegensinnigen Phasenverhältnis in bezug auf die Vorderräder 8 gesteuert.

Bei diesem Aufbau läßt sich der Drehwinkel von Kurbel 16 in bezug auf den Steuerwinkel des Steuerrades 1 frei wählen, beispielsweise durch Verändern des Übersetzungsverhältnisses von Getriebe 3, und zwar durch Verändern der Länge des Kurbelarmes 16 a oder dqrch Einbau einer Unter­ setzungsvorrichtung an einer geeigneten Stelle auf dem Übertragungs­ wege des Steuermomentes von Steurrad 1 zu den Hinterrädern 21. Ein ge­ wünschtes Steuerwinkelverhältnis zwischen den Vorderrädern und den Hin­ terrädern läßt sich somit leicht und frei erzielen.

Fig. 2 zeigt das geometrische Verhältnis zwischen dem oberen und dem unteren Kontrollarm 19 bzw. 20 in Draufsicht. Die axiale Rotationslinie 31 des unteren Armes 20 relativ zur Karosserie erstreckt sich im wesent­ lichen parallel zur Länge der Karosserie, während die axiale Rotations­ linie 32 des oberen Armes 19 sich zur Fahrzeuglängsrichtung geneigt er­ streckt, und zwar derart, daß sie gegen eine Längslinie konvergiert, die die Länge des Fahrzeuges in Vorwärtsrichtung beschreibt.

Fig. 3 zeigt das geometrische Verhältnis zwischen dem oberen und dem unteren Kontrollarm 19 bzw. 20 in Seitenansicht. Die axiale Rotations­ linie 31 des unteren Armes 20 ist im wesentlichen parallel zur Länge des Fahrzeugkörpers (der Karosserie), während die axiale Rotationslinie 32 des oberen Armes sich derart neigt, daß sie in ihrem vorderen Teil der Straßenfläche näher kommt.

Die die Gelenkpunkte 33 und 34 zwischen Lenker 9 und dem oberen bzw. dem unteren Arm 19 bzw. 20 verbindende Axiallinie definiert eine imagi­ näre Axiallinie 35 (king pin axial line).

Da die axiale Rotationslinie 32 des oberen Armes 19 in ihrem vorderen Bereich nach unten geneigt, so wie in Fig. 3 dargestellt, hat die Bahn des Gelenkpunktes 33 zwischen Lenker 22 und oberem Arm 19 eine relativ große Längskomponente die Bewegung des Gelenkpunktes 34 zwischen dem unteren Arm 20 und dem Lenker 22 auf dasjenige beschränkt ist, was ent­ lang einer vertikalen Linie stattfindet. Da die axiale Rotationslinie 32 des oberen Armes 19 ferner gegen ihren vorderen Bereich nach einwärts geneigt ist, wie die Fig. 2 zeigt, so ist die Längsverschiebung des Gelenkpunktes 33 dann gering, wenn der Abstand zwischen Rad 21 und der Karosserie klein ist; die Längsverschiebung ist jedoch groß, wenn der Abstand zwischen Rad 21 und der Karosserie groß ist.

Die Änderung in der Bewegung (Delta 1) des Hinterrades 21, nach dem das Rad um einen gewissen Abstand aus seinem neutralen Zustand (durch­ gezogene Linie) in eine Position (gestrichelte Linie) näher zum Fahr­ zeug hin bewegt hat, ist geringer als die Änderung der Bewegungs­ bahn (Delta 2) des hinteren Rades 21, wenn sich das Rad um eine ge­ wisse Strecke aus seiner neutralen Position in eine Position (strich­ punktierte Linie) von dem Fahrzeugkörper hinwegbewegt hat. Von der Seite gesehen ist die Bahn des Gelenkpunktes 33 somit eine Ellipse. Diejenige Kurve, die den Nachlaufwinkel, betrachtet gegen die Ände­ rungen des relativen Abstandes (D) zwischen Rad und Karosserie ge­ mäß Fig. 4 darstellt, ist konvex gegenüber dem Ursprung des Koordi­ natensystemes, und nimmt einen minimalen Wert (Cmin) dann an, wenn der Abstand zwischen Hinterrad und Karosserie geringfügig kleiner als der entsprechende Abstand im neutralen Zustand ist (D = DO).

Die in Fig. 5 gezeigte grafische Darstellung veranschaulicht die Un­ terschiede des Steuermomentes bei Vergrößerung des Steuerwinkels. Der obere Teil der Darstellung zeigt Veränderungen der tatsächlichen Steu­ erwinkel der Vorderräder und der Hinterräder gegenüber dem Ansteigen des Steuerwinkels, gemessen am Steuerrad. Ist der Steuerwinkel am Steuerrad relativ klein, so werden die Hinterräder im selben Phasen­ verhältnis in bezug auf die Vorderräder gesteuert. Ist jedoch der Steuerwinkel am Steuerrad größer und übersteigt einen gewissen Wert, angezeigt durch A in der Darstellung, so kehrt sich das Phasenver­ hältnis des Steuerwinkels der Hinterräder in bezug auf die Vorderräder um. Während das selbstausrichtende Moment der Vorderräder im wesentli­ chen proportional zum Anstieg des Steuerwinkels am Steuerrad über im wesentlichen den gesamten Steuerbereich ansteigt, so steigt das selbstausrichtende Moment der Hinterräder bei steigendem Steuerwin­ kel am Steuerrad anfänglich an, nimmt jedoch dann ab, wenn der Steu­ erwinkel der Hinterräder vermindert wird und in die Gegend des Steu­ erwinkels A am Steuerrad kommt. Da das selbstausrichtende Moment der Hinterräder bei normalen Bedingungen relativ klein ist, so wie in Fig. 4 erkennbar, wird diese Veränderung des selbstausrichtenden Momentes, erzeugt durch die Hinterräder, durch das selbstausrichten­ de Moment maskiert, das durch die Vorderräder erzeugt wurde; die Fluktuation (Veränderung, Schwingung) des Steuermomentes kann dahin­ gehend geregelt werden, daß dieses auf einem Wert bleibt, das der Fahrer nicht bemerkt.

Macht das Fahrzeug eine scharfe Wende bei relativ hoher Geschwindig­ keit und werden die Hinterräder im gegengesetzten Phasenverhältnis in bezug auf die Vorderräder gesteuert, so wird der Abstand zwischen Fahrzeugkarosserie und äußeren Hinterrädern durch die Zentrifugal­ kraft verringert, und der Nachlaufwinkel der äußeren Hinterräder wird ebenfalls vermindert (falls die Wende zu scharf ist und der Nachlaufwinkel ansteigt). Da das äußere hintere Rad, das eine größe­ re vertikale Belastung als das innere hintere Rad erhält, einen dem­ gemäß größeren Beitrag zum selbstausrichtenden Moment der Hinter­ räder leistet, läßt sich die Verminderung des Nachlaufwinkels des äußeren Hinterrades wirksam durch das selbstausrichtende Moment der Hinterräder reduzieren, und die Fluktuation des Steuermomentes auf­ grund von Änderungen des selbstausrichtenden Momentes läßt sich eben­ falls stark vermindern.

Hebt sich der hintere Teil des Fahrzeuges zur Folge eines plötzlichen Bremsens an, so bewegen sich die Berührungspunkte zwischen den Hinter­ rädern und der Straßenfläche nach vorn, da der Nachlaufweg vergrößert wird, und es tritt eine Anti-Lift-Wirkung ein, die den rückwärtigen Teil des Fahrzeuges nach unten drückt.

Claims (3)

1. Hinterradaufhängung für ein Vorder- und Hinterrad-gesteuertes Fahrzeug, wobei die Hinterräder in entgegengesetztem Phasen­ verhältnis relativ zu den Vorderrädern wenigstens unter ge­ wissen Verhältnissen gesteuert werden, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
Ein Nachlaufwinkel eines jeden der Hinterräder nimmt relativ stark zu, wenn der Abstand zwischen der Karosserie und dem Hinterrad von einem neutralen Zustand gesteigert wird, und be­ hält einen kleineren positiven Wert dann bei, wenn der Ab­ stand zwischen Karosserie und Hinterrad aus dem neutralen Zu­ stand abgesenkt wird.

2. Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lenker für jedes Hinterrad von einem oberen und einem unteren Arm getragen ist, die mit ihren jeweiligen Enden den Lenker gelenkig mit der Karosserie verbinden, und daß eine axiale Ro­ tationslinie des oberen Armes in ihrem vorderen Bereich nach unten geneigt ist, während die axiale Rotationslinie des unte­ ren Armes sich im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Fahrzeuges erstreckt.

3. Aufhängung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallinie des oberen Armes in ihrem vorderen Bereich zusätz­ lich nach einwärts geneigt ist.