DE3903143A1 - Vorderradaufhaengung fuer kraftfahrzeuge mit frontmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorderradaufhängung für Kraft­ fahrzeuge mit Frontmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentans­ pruchs 1.

Eine Vorderradaufhängung dieser Art wird in der von der Nis­ san Motor Company Limited im Oktober 1983 veröffentlichten Druckschrift "Service Periodical No. 491 III" auf Seite 22 beschrieben. Diese Vorderradaufhängung wird bei Fahrzeugen mit Dieselmotor eingesetzt.

Bei Fahrzeugen mit Frontmotor, insbesondere bei Diesel-Fahr­ zeugen, besteht das Problem, daß es im Leerlauf des Motors häufig zu einer ungleichmäßigen Verbrennung und damit zu Drehmomentschwankungen kommt, so daß Erschütterungen über die Motoraufhängung auf den Fahrzeugaufbau übertragen werden und diesen zu Schwingungen um seine Rollachse anregen. Bei ungün­ stiger Leerlaufdrehzahl des Motors kommt es dabei zur Reso­ nanz, so daß die Roll-Schwingungen des Fahrzeugaufbaus eine unangenehm hohe Amplitude erreichen.

Zur näheren Erläuterung dieses Problems soll bereits hier auf Fig. 4 bis 10 der Zeichnung Bezug genommen werden.

Fig. 4 zeigt eine herkömmliche Vorderradaufhängung der oben genannten Art mit einem ein Federbein bildenden Stoßdämpfer 1. Der Stoßdämpfer 1 weist ein zylindrisches Außenrohr 2 auf, dessen unteres Ende mit einem nicht gezeigten Radträger ver­ bunden ist, und eine Kolbenstange 3 ist teleskopisch in dem Außenrohr 2 aufgenommen und ragt nach oben aus diesem heraus. Die Kolbenstange 3 des Stoßdämpfers 1 ist mit ihrem oberen Ende fest in einen Innenring 4 a eines Kugellagers 4 einge­ paßt, dessen Außenring 4 b fest in eine innere Hülse 5 a eines schwingungsdämpfenden Lagers 5 eingepaßt ist. Das schwin­ gungsdämpfende Lager 5 weist außer der inneren Hülse 5 a eine äußere Hülse 5 b, die über eine Halterung 6 fest mit dem Fahr­ zeugaufbau verbunden ist, und einen zwischen der inneren und der äußeren Hülse eingefügten elastischen Körper 5 c auf. Der elastische Körper 5 c ist Scherspannungen ausgesetzt und un­ terliegt einer Scherungsverformung, wenn während der Fahrt des Fahrzeugs Erschütterungen oder Stöße auf die inneren und äußeren Hülsen 5 a, 5 b einwirken. Eine Feder 7 ist zwischen dem Außenrohr 2 und dem Lager 5 angeordnet.

Bei dieser herkömmlichen Vorderradaufhängung treten aufgrund der nachfolgend erläuterten Zusammenhänge relativ heftige Schwingungen oder Erschütterungen des Fahrzeugs infolge un­ gleichmäßiger Verbrennung im Leerlaufzustand des Motors auf.

Da bei einem Dieselmotor der Verbrennungsdruck in jedem ein­ zelnen Zylinder in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge und der Menge an eingespritztem Kraftstoff variiert, treten zwi­ schen den Zylindern Unterschiede in dem Effektivdruck auf, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Dies führt zu periodischen Dreh­ momentschwankungen des Motors mit einer Periode von zwei Kur­ belwellenumdrehungen. Die Grundschwingung der durch diese Drehmomentschwankungen hervorgerufenen Erschütterung des Mo­ tors ist somit die erste Subharmonische der Motordrehzahl, d.h., die Grundfrequenz dieser Erschütterungen entspricht der halben Motordrehzahl. Wie in Fig. 7 veranschaulicht ist, werden diese Erschütterungen des Motors E in Form eines Drehmo­ ments T um die Rollachse des Fahrzeugs über eine Motoraufhän­ gung K _M auf den Fahrzeugaufbau B übertragen, so daß der Fahr­ zeugaufbau B in Schwingungen um seine Rollachse, also in der Richtung R in Fig. 7 versetzt wird. Die Grundfrequenz dieser Motorvibrationen liegt im Bereich 5 bis 6 Hz, wenn die Motor­ drehzahl im Leerlauf zwischen 600 und 720 min^-1 liegt. Bei kleinen Schwingungen im Bereich von 5 bis 10 Hz wird die Kol­ benstange des Stoßdämpfers 1 im Außenrohr festgehalten, so daß sich der Stoßdämpfer im wesentlichen starr verhält. Bei der herkömmlichen Vorderradaufhängung wird deshalb unter den obengenannten Bedingungen die Federkaft, die die Eigenfre­ quenz der Schwingungen des Fahrzeugaufbaus um seine Rollachse beeinflußt, durch die Beziehung zwischen der Federkonstanten K₁ des schwingungsdämpfenden Lagers 5 und der vertikalen Fe­ derkonstanten K₃ des Reifens des Rades bestimmt, und da K₃ wesentlich kleiner ist als K₁, wird die Gesamt-Federkonstante annähernd durch K₃ gegeben. Die durch diese Federkonstante bestimmte Resonanzfrequenz des Fahrzeugaufbaus B stimmt mit der Anregungsfrequenz, d.h., mit der Grundfrequenz der Motor­ vibration überein (vgl.: Fig. 9 und 10). Aus diesem Grund wird der Fahrzeugaufbau im Leerlaufzustand des Motors in hef­ tige Schwingungen oder Erschütterungen versetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Mo­ torvibrationen im Leerlauf angeregten Schwingungen des Fahr­ zeugaufbaus zu verringern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Patent­ anspruch 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorderradaufhängung besteht zwi­ schen dem oberen Ende des Stoßdämpfers und dem schwingungs­ dämpfenden Lager, über das sich der Stoßdämpfer an der Fahr­ zeugkarosserie abstützt, ein begrenztes axiales Spiel. In dem Frequenz- und Amplitudenbereich, der den vom Motor im Leer­ lauf übertragenen Vibrationen entspricht, ist deshalb die re­ lativ starre Verbindung zwischen Rad und Fahrzeugaufbau über den Stoßdämpfer und das schwingungsdämpfende Lager aufgeho­ ben, und der Fahrzeugaufbau wird nur durch die ungedämpfte Feder relativ weich abgefedert. Hierdurch wird die Eigenfre­ quenz der Schwingungen des Fahrzeugaufbaus um die Rollachse so weit herabgesetzt, daß keine Resonanz mit der Grundfre­ quenz der Motorvibration mehr auftritt. Infolgedessen wird die Übertragung der Motorvibration auf den Fahrzeugaufbau wirksam unterdrückt.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung, die auch Darstellun­ gen zum Stand der Technik enthält, ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine erfindungsge­ mäße Vorderradaufhängung eines Kraftfahr­ zeugs mit Frontmotor;

Fig. 2 und 3 kinetische Modelle der Vorderradaufhän­ gung;

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine herkömmliche Vorderradaufhängung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des effektiven Verbrennungsdruckes Pi jedes der sechs Zy­ linder eines Dieselmotors;

Fig. 6 eine spektrale Darstellung der schwin­ gungserregenden Drehmomentschwankungen des Motors;

Fig. 7 ein kinetisches Modell des gesamten Fahr­ zeugs;

Fig. 8 ein kinetisches Modell des Fahrzeugs im Fall von Roll-Resonanzschwingungen;

Fig. 9 eine spektrale Darstellung des schwin­ gungserregenden Drehmoments; und

Fig. 10 das Schwingungsfrequenzspektrum des Fahr­ zeugaufbaus.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen als Feder­ bein dienenden Stoßdämpfer mit einem zylindrischen Außenrohr 12, dessen unteres Ende mit einem Radträger, etwa einem nicht gezeigten Achsschenkel verbunden ist, und einer Kolbenstange 16, deren oberes Ende über ein schwingungsdämpfendes Lager 13 und eine Halterung 14 mit dem Fahrzeugaufbau 15 verbunden ist. Die Kolbenstange 16 ist gleitend verschiebbar in dem Au­ ßenrohr 12 aufgenommen und ragt nach oben aus diesem heraus. Das Außenrohr 12 und die Kolbenstange 16 erzeugen bei ihrer Relativbewegung in axialer Richtung eine Dämpfungskraft und wirken mit einer Feder 17 zusammen, die zwischen dem Außen­ rohr 12 und dem Lager 13 angeordnet ist, so daß von dem Rad­ träger auf das Lager 13 übertragene Stöße gedämpft werden. Das Lager 13 umfaßt eine innere Hülse 13 a, eine an der Halte­ rung 14 befestigte äußere Hülse 13 b und einen elastischen Körper 13 c, beispielsweise ein Gummielement, das zwischen der inneren und der äußeren Hülse eingefügt ist. Das obere Ende der Kolbenstange 16 ist mit Hilfe eines Lagers 18 axial in die innere Hülse 13 a des schwingungsdämpfenden Lagers 13 ein­ gepaßt. Ein Flansch 21 ist mit Hilfe einer Schraube 19 am oberen Ende der Kolbenstange 16 befestigt, und eine im Nor­ malzustand konische Tellerfeder 22 ist zwischen dem Flansch 21 und dem oberen Ende der Kolbenstange 16 eingefügt. Der in­ nere Rand der Tellerfeder 22 ist zwischen dem Flansch 21 und dem oberen Ende der Kolbenstange 16 eingespannt, so daß er starr mit der Kolbenstange 16 beweglich ist, und der äußere Rand der Tellerfeder steht mit dem Lager 13 in Eingriff, so daß er starr mit dessen innerer Hülse 13 a beweglich ist. Die ursprünglich konische Tellerfeder 22 läßt sich leicht in ei­ nen flachen Zustand verformen, wenn sie einer relativ kleinen axialen Last ausgesetzt ist, die über die innere Hülse 13 a des Lagers 13 oder über die Kolbenstange 16 übertragen wird, so daß eine axiale Relativbewegung zwischen dem Lager 13 und der Kolbenstange 16 möglich ist. Wenn diese axiale Relativbe­ wegung zwischen dem Lager 13 und der Kolbenstange 16 infolge einer relativ starken Belastung einen vorgegebenen Wert über­ schreitet, so stützt sich der Flansch 21 an einem fest an der inneren Hülse 13 a des Lagers 13 befestigten, einwärts umge­ börtelten Anschlag 23 oder über ein ringförmiges elastomeres Element 24 am äußeren Umfangsbereich der Tellerfeder 22 ab, so daß der Stoßdämpfer 11 seine stoßdämpfende Wirkung entfal­ tet. Die innere Hülse 13 a des Lagers 13, der Flansch 21, die im entlasteten Zustand konische Tellerfeder 21, der Anschlag 23 und das ringförmige elastomere Element 24 bilden somit zu­ sammen eine Verbindungseinrichtung 25, durch die die Kolben­ stange 16 derart mit dem Lager 13 verbunden wird, daß eine axiale Relativbewegung zwischen dem Lager 13 und der Kolben­ stange 16 möglich ist.

Fig. 2 ist ein kinetisches Modell der oben beschriebenen Vorderradaufhängung. Gemäß diesem Modell weist das Lager 13 eine Federkonstante K₁ (K₁ = 600 bis 700 N/mm), der Stoßdämp­ fer 11 einen Dämpfungskoeffizienten C, die Feder 17 eine Fe­ derkonstante K₂ (K₂ = 20 bis 30 N/mm) und der Reifen (des zu­ gehörigen Rades) eine vertikale Federkonstante K₃ (K₃ = 200 bis 400 N/mm) auf.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der oben beschriebenen Aufhängung erläutert.

Wenn der Motor E (Fig. 7) im Leerlauf infolge ungleichmäßi­ ger Verbrennung eine schwingungserregende Kraft mit einer der Hälfte der Motordrehzahl entsprechenden Frequenzkomponente (Fig. 9) erzeugt, so wird diese Kraft auf den Fahrzeugaufbau 15 (symbolisiert durch den Block B in Fig. 7) übertragen, und der Fahrzeugaufbau wird zu Schwingungen um seine Rollach­ se, also in der Richtung R in Fig. 7, mit einer Frequenz von 5 bis 6 Hz angeregt. Da unter diesen Bedingungen die Kolben­ stange 16 des Stoßdämpfers 11 in dem Außenrohr festgehalten wird, so daß sich der Stoßdämpfer im wesentlichen starr ver­ hält, kann das in Fig. 2 gezeigte kinetische Modell durch das Modell gemäß Fig. 3 ersetzt werden. Da die Verbindungs­ einrichtung 25 eine Relativbewegung zwischen der Kolbenstange 16 und dem Lager 13 gestattet, ist aufgrund der für die ein­ zelnen Federkonstanten K ₁, K _s und K ₃ geltenden Beziehung (näm­ lich K ₁ » K ₃ » K₂) die Gesamt-Federkonstante K der Vorder­ radaufhängung im wesentlichen gleich der Federkonstanten K₂ der Feder 17. Während bei der herkömmlichen Vorderradaufhän­ gung, bei der die Kolbenstange 16 in Axialrichtung starr mit dem Lager 13 verbunden ist (Fig. 8), die Gesamt-Federkon­ stante der Aufhängung im wesentlichen gleich der vertikalen Federkonstanten K₃ des Reifens ist, ergibt sich bei der er­ findungsgemäßen Vorderradaufhängung aufgrund der nur durch die Feder 17 abgefederten Relativbewegung zwischen der Kol­ benstange 16 und dem Lager 13 die relativ kleine Federkon­ stante K₂, und die Resonanzfrequenz des Fahrzeugaufbaus ist entsprechend dem Verhältnis zwischen den Federkonstanten K₃ und K₂ (K₃/K₂ = 5 bis 10) verringert und liegt somit in einem optimalen Frequenzbereich von 2 bis 3 Hz gegenüber 5 bis 6 Hz bei der herkömmlichen Aufhängung. Im Ergebnis ist daher die Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz (2 bis 3 Hz) der Roll­ schwingung des Fahrzeugaufbaus von dem Frequenzbereich (5 bis 6 Hz) der anregenden Schwingung, deren Grundfrequenz der hal­ ben Motordrehzahl entspricht, verschieden. Auf diese Weise wird eine Resonanzschwingung vermieden, und die Schwingungs­ anregung des Fahrzeugaufbaus infolge ungleichmäßiger Verbren­ nung bei Leerlauf des Motors ist deutlich verringert.

Die bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehe­ ne Tellerfeder 22 kann fortgelassen werden, so daß zwischen der Kolbenstange 16 und dem Lager 13 ein Axialspiel entsteht, dessen Größe in Abhängigkeit von der Länge der Feder 17 im normal belasteten Zustand bestimmt wird.

Claims (7)

1. Vorderradaufhängung für Kraftfahrzeuge mit Frontmotor, mit einem zwischen einem Radträger und dem Fahrzeugaufbau (15) angeordneten Stoßdämpfer (11), einem am Fahrzeugaufbau befe­ stigten schwingungsdämpfenden Lager (13) zur Aufnahme des oberen Endes (Kolbenstange 16) des Stoßdämpfers und einer zwischen dem Radträger und dem Lager (13) wirkenden Feder (17), dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende (Kolben­ stange 16) des Stoßdämpfers (11) derart an dem schwingungs­ dämpfenden Lager (13) befestigt ist, daß zwischen diesen Bau­ teilen ein begrenztes axiales Spiel besteht, so daß das Schwingungsverhalten des Fahrzeugaufbaus (15) bei Schwingun­ gen um seine Rollachse im Bereich dieses Spiels im wesentli­ chen durch die Feder (17) bestimmt wird.

2. Vorderradaufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das obere Ende (Kolbenstange 16) des Stoß­ dämpfers (11) durch eine im entlasteten Zustand konische Tel­ lerfeder (22) mit dem schwingungsdämpfenden Lager (13) ver­ bunden ist.

3. Vorderradaufhängung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das schwingungsdämpfende Lager (13) eine am Fahrzeugaufbau (15) befestigte äußere Hülse (13 b), eine innere Hülse (13 a) und einen zwischen der inneren und der äu­ ßeren Hülse eingefügten elastischen Körper (13 c) aufweist.

4. Vorderradaufhängung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (22) an der inneren Hülse (13 a) des Lagers (13) gehalten ist.

5. Vorderradaufhängung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das obere Ende des Stoß­ dämpfers (11) bildende Kolbenstange (16) an ihrem freien Ende mit einem radial vorspringenden Flansch (21) versehen ist, der axial zwischen an dem Lager (13) angebrachten Anschlägen (23, 24) beweglich ist.

6. Vorderradaufhängung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anschläge (23, 24) gummielastische Dämp­ fungselemente aufweisen.

7. Vorderradaufhängung nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Anschläge durch einen auf der Tellerfeder (22) aufliegenden Ring (24) gebildet wird.