DE4343525A1 - Aufhängesystem für ein steuerbares Rad eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufhängesystem nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Bei einem Fahrzeug-Aufhängesystem für steuerbare Räder sind ein Schaftstab und ein Rahmen miteinander verbunden. Dieses System absorbiert Schwingungen und Stöße, die das Fahrzeug während der Fahrt von der Straßenoberfläche erhält. Auf die­ se Weise erhält man ein sichereres Fahrzeug und einen verbesserten Fahrkomfort.

Um Stöße zu absorbieren, sollte eine Fahrzeug-Aufhängung in vertikaler Richtung flexibel angekoppelt sein, und um die Fahrkraft, die Bremskraft und die Zentrifugal­ kraft aufnehmen zu können, die während der Kurvenfahrt eines Fahrzeugs an einem Rad auftritt, sollte die Fahrzeugaufhängung in horizontaler Richtung fest verankert sein.

Die Fahrzeug-Aufhängungssysteme werden strukturell in achsintegrale Aufhänge­ systeme und unabhängige Aufhängesysteme oder Einzelradaufhängungen unterteilt. Während das achsintegrale Aufhängesystem bei großen Fahrzeugen wie Bussen, Lastwagen sowie auf Hinterradachsen von Personenkraftwagen Anwendung findet, wird die Einzelradaufhängung im wesentlichen bei Vorderradachsen in Personen­ kraftwagen verwendet.

Es sind bereits viele Arten von Einzelradaufhängungen vorgeschlagen worden. Zu den am häufigsten verwendeten Einzelradaufhängungen zählen die McPherson- und die Wishbone-Aufhängung.

Ein Fahrzeugaufhängesystem für ein steuerbares Rad wird so ausgelegt, daß mit ihm die Position eines Rads in bezug auf den Fahrzeugkörper gesteuert werden kann, um eine bessere Positionierung während des Fahrbetriebs zu erzielen und um die Vibra­ tionen und Stöße zu absorbieren. Dabei wird verhindert, daß die Achse einen Stoß oder eine Vibration von der Straßenoberfläche direkt auf den Fahrzeugkörper über­ trägt, so daß eine optimale Handhabungs-Sicherheit und Fahrsicherheit erreicht wird.

Das Vorderrad ist bei den bekannten Aufhängesystemen so befestigt, daß es von rechts nach links oder von links nach rechts um den Achsschenkelbolzen gedreht werden kann. Es ist außerdem in einem geometrischen Winkel befestigt, um die An­ forderungen an die Frontaufhängung zu erfüllen.

Die Befestigung eines Vorderrads in einem geometrischen Winkel nennt man Rad- Ausrichtung. Die Rad-Ausrichtung wird durch mehrere Elemente bestimmt, aber die optimale Betriebsweise eines Vorderrads erhält man durch die einander ergänzenden Funktionen der Elemente.

Die Neigung des Achsschenkels, auch Sturz genannt, bewirkt unter diesen Einfluß­ größen eine Reduzierung des Kraftaufwands für die Bedienung eines Steuerrads mit einer Überhöhung, absorbiert jeden Stoß aufgrund der Fahrzeugbewegung und ver­ stärkt dann die Rückstellkraft des Steuerrads. Man erhält hierbei eine Drehsicherheit in der Geradeausposition des Fahrzeugs und eine Bedienungssicherheit in der Wen­ deposition.

Die Neigung des Achsschenkels ergibt sich dadurch, daß der Achsschenkel mit seiner Mittellinie, von der Vorderseite des Fahrzeugs betrachtet, in einem vorgegebenen Winkel zur vertikalen Linie liegend angeordnet ist.

Den Zwischenraum zwischen der Mittellinie des Achsschenkelbolzens und einer Mit­ tellinie des Rads nennt man Versatz oder Vorlauf, und wenn der Vorlauf kleiner wird, wird die Ansprechempfindlichkeit auf einen Steuervorgang reduziert und damit die Handhabungssicherheit während des Wendens oder Bremsens des Fahrzeugs ver­ bessert.

Auch die Vibrationen oder Schwingungen haben etwas mit der Fahrzeugsicherheit zu tun. Schlingern, Tauchschwingen, Gieren sowie Stoßen treten während der Fahrt ei­ nes Kraftfahrzeugs auf. Nur dann, wenn diese Schwingungen sanft gedämpft werden, können Fahrkomfort und Sicherheit verbessert werden.

Was die Vibrationen oder Schwingungen eines Fahrzeugs betrifft, so werden diese dann, wenn sie beim Wenden auftreten, als Rollen bezeichnet. Das heißt, daß das Fahrzeug in Rechts/Links-Richtung schwingt. Dieses Rollen hat einen bedeutenden Einfluß auf die Kurvensicherheit.

Ein bestimmter wichtiger Punkt, an dem das Rollen auftritt, wird Rollzentrum (RC) genannt. Das Rollen tritt deshalb auf, weil der Schwerpunkt eines Fahrzeugs über dem Rollzentrum liegt. Demzufolge verändert sich die Straßenlage eines Fahrzeugs um so mehr, je größer die Änderung in der Höhe des Rollzentrums ist. Dieses Phäno­ men führt zu einem größeren Rutschwinkel, was die Fahreigenschaften und die Be­ dienungssicherheit verschlechtert.

Um die Laufsicherheit zu gewährleisten, sollte das Änderungsverhältnis bezüglich der Höhe des Rollzentrums minimiert werden.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen wird im folgenden ein her­ kömmliches Aufhängesystem im einzelnen beschrieben.

Fig. 5A zeigt das Prinzip eines McPherson-Aufhängesystems, das einen Druckstab 53, der integral mit einem Achsschenkel 51 verbunden ist und einen Stoßdämpfer 52 und eine Feder 54 enthält, und einen Steuerarm 55 mit einer Gelenkverbindung 67 aufweist.

Dieses System hat den Vorteil, daß es einfach aufgebaut ist, sowie eine kurze Feder, geringe Masse und eine geringe räumliche Ausdehnung im Fahrzeugraum besitzt.

Um jedoch den Versatz a kleiner oder negativ (-) zu machen, müßte ein oberer Stütz­ punkt 57 des Druckstabs 53 in Richtung auf den Maschinenraum verschoben oder das radseitige Ende des Steuerarms 55, das mit der (Kugel)Gelenkverbindung 56 ge­ koppelt ist, in Richtung auf das Rad versetzt werden.

Wenn aber der oberer Stützpunkt 57 des Druckstabs 53 in Richtung auf den Maschi­ nenraum versetzt wird, wird das nutzbare Volumen des Maschinenraums verkleinert und der Versatz a wird außergewöhnlich groß, mit dem unangenehmen Effekt, daß die Kurvensicherheit des Fahrzeugs verschlechtert wird.

Wird das radseitige Ende des Steuerarms 55, der mit der (Kugel)Gelenkverbindung 56 gekoppelt ist, nach außen verschoben, so ist es praktisch unmöglich, den Versatz a zu verkleinern, weil sein Ende mit der Bremsscheibe kollidiert, die mit dem Rad 58 verbunden ist.

Die Änderungen des Sturzwinkels bzw. der Spurweite, d. h. der Änderung des Rads auf den Boden quer zum Fahrzeugkörper, sind durch gestrichelte Linien in den Fig. 4A und 4B dargestellt, aus denen man erkennt, daß die Kurvensicherheit hierbei ver­ schlechtert wird.

Die Fig. 5B zeigt das Prinzip eines Wishbone-Aufhängesystems, das obere und unte­ re Steuerarme 61, 62, einen Achsschenkel 63, ein Federsystem 65 mit einem Stoß­ dämpfer 64 sowie Kugelgelenkverbindungen 66, 67 aufweist, welche die oberen und unteren Steuerarme 61, 62 mit dem Achsschenkel 63 verbinden.

Um den Versatz a einzustellen, muß ein fahrzeugseitiger Verbindungspunkt 68 des oberen Steuerarms 61 in Richtung auf den Motorraum verschoben werden, oder es muß die Kugelgelenkverbindung 67 des unteren Steuerarms 62 nach außen verscho­ ben werden.

Allerdings wird auch beim Wishbone-Aufhängesystem in gleicher Weise wie beim McPherson-Aufhängesystem das effektive Volumen des Motorraums verkleinert, wenn der fahrzeugseitige Verbindungspunkt 68 des oberen Steuerarms 61 in Rich­ tung auf den Motorraum verlagert wird. Außerdem wird der Versatz a zu groß und verschlechtert die Kurvenlaufeigenschaften des Fahrzeugs. Wird die Kugelgelenkver­ bindung 67 des unteren Steuerarms 62 nach außen verlagert, kann man den Versatz a praktisch nicht verkleinern, weil der Steuerarm 62 mit der Scheibe der Bremse kolli­ diert, die mit dem Rad 69 verbunden ist.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß die herkömmlichen McPherson- und Wishbone-Aufhängungen hinsichtlich einer Verbesserung des Auf­ hängesystems Einschränkungen unterworfen sind, weil die Variationsbreite bei der Festlegung des Sturzes bzw. Achsschenkelbolzenwinkels derart gering ist, daß man den Versatz des Achsschenkelbolzens kaum reduzieren kann. Hinzu kommt, daß bei beiden Typen die vertikale Bewegung eines Rads durch kurze Steuerarme bewirkt wird und eine große Veränderung der Höhe des Rollzentrums die Laufeigenschaften verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Änderungsverhältnis der Höhe des Rollzentrums zu verringern.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Änderung der Höhe des Rollzentrums durch die Einstellung einer gedachten Achsschenkel­ bolzen-Achse und durch Vorsehen gedachter Verbindungen minimiert werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Gestaltungsmöglichkeiten er­ weitert werden, indem eine unabhängige Änderung des Radsturzes und der Spurweite vorgenommen wird. Weiterhin werden durch die Erfindung alle übrigen Sicherheitsa­ spekte berücksichtigt und z. B. die Geradeauslaufeigenschaften und die Empfindlich­ keit beim Steuern verbessert. Als ein Multi-Link-Aufhängesystem vereint die Erfin­ dung die Vorteile des McPherson- und des Wishbone-Systems.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Aufhängesystems;

Fig. 2 eine Frontansicht für die Veranschaulichung der Betriebsweise der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkung der Erfindung;

Fig. 4A und 4B Diagramme für den Vergleich von Änderungen des Radsturzes und der Spurweite bei der Erfindung mit herkömmlichen Änderungen dieser Größen;

Fig. 5A und 5B herkömmliche Aufhängesysteme.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Aufhängung.

Ein Druckstab 1 weist einen Stoßdämpfer 8 und eine Feder 9 auf. Das obere Ende des Druckstabs 1 ist über einen isolierten Verbindungspunkt 10 mit einem Fahrzeugkör­ per verbunden, während das untere Ende über einen integralen Verbindungsarm 5 mit einem Achsschenkel 4 gekoppelt ist. Der Druckstab 1 trägt den Fahrzeugkörper, wo­ bei er den nach oben und unten gerichteten Stößen des Rads 11 entgegenwirkt.

Zwei obere Arme 2, 3, die aus runden Stäben von gleicher Länge bestehen, sind mit einem Querträger 12 des Fahrzeugs sowie mit dem Verbindungsarm 5 an den Verbin­ dungspunkten 13, 14, 15, 16 verbunden. Die Verbindungspunkte 13, 14, 15, 16 sind an den Enden der beiden parallelen oberen Arme durch (nicht dargestellte) elastische Buchsen realisiert.

Der Verbindungsarm 5 bildet mit dem unteren Teil des Druckstabs 1 eine Einheit und ist mit seinem radseitigen Ende mit dem oberen Ende des Achsschenkels 4 über eine Gelenkverbindung 17 verbunden. Der Verbindungsarm 5 gibt Kräfte weiter, die vom Rad 11 übertragen werden.

Die Positionierung der Verbindungspunkte 14, 16 der oberen Arme 2, 3 für die Ver­ bindung mit dem Verbindungsarm 5 sowie die Anordnung der Gelenkverbindung 17 sind eine Frage des bloßen Designs und haben keinen ungünstigen Einfluß auf die Wirkungsweise der Erfindung.

Außer den oberen Armen 2, 3 sind noch zwei untere Arme 6, 7 von gleicher Länge vorgesehen, die ebenfalls als Rundstäbe ausgebildet und einerseits mit dem Quer­ träger 12 des Fahrzeugkörpers sowie andererseits mit dem Achsschenkel 4 an den Punkten 18, 19 bzw. 20, 21 verbunden sind. Die fahrzeugseitigen Verbindungspunkte 18, 20 sind mit dem Querträger 12, einen Zwischenraum einschließend, über elasti­ sche Buchsen verbunden, während die Verbindungspunkte 19, 21 mit einem unteren Bereich des Achsschenkels 4 verbunden sind, wobei sie einen geringen Abstand zu­ einander aufweisen und in Gelenken gelagert sind, so daß sich bei einer Ansicht von einer oberen Ebene insgesamt ein Dreieck ergibt.

Die Positionen der fahrzeugseitigen Verbindungspunkte 13, 15, 18, 20 sowie der rad­ seitigen Verbindungspunkte 14, 16, 19, 21 der oberen und unteren Arme 2, 3 bzw. 6, 7 können entsprechend den gewünschten Eigenschaften des Aufhängesystems verän­ dert werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung nehmen die beiden obe­ ren Arme 2, 3 eine horizontale Lage ein, und die fahrzeugseitigen Verbindungspunk­ te 18, 20 der unteren Arme 6, 7 sind höher dargestellt als die radseitigen Verbin­ dungspunkte 19, 21.

Eine Bezugszahl 22 bezeichnet einen Ankerbolzen bzw. eine Koppel- oder Lenker­ stange, der bzw. die die Richtung des Rads steuert und der bzw. die mittels einer Gelenkverbindung 23 mit dem Achsschenkel 4 verbunden ist.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 wird im folgenden die Wirkungsweise der Er­ findung erläutert.

Wenn sich der Verbindungsarm 5 aufgrund der Auf- und Abbewegung des Rads oder beim Rollen des Fahrzeugs nach oben und unten bewegt und um die fahrzeugseitigen Verbindungspunkte 13, 15 der oberen Arme 2, 3 schwenkt, entspricht ein Momentan­ zentrum (C1) des Verbindungsarms 5 in bezug auf den Fahrzeugkörper einem Schnittpunkt einer fahrzeugseitigen Verlängerungslinie der oberen Arme 2, 3 mit einer Längslinie bezogen auf eine Achse des Druckstabs 1, der mit seinem oberen Ende mit dem Verbindungspunkt 10 gekoppelt ist.

Die Gelenkverbindung 17, die den Achsschenkel 4 mit dem Verbindungsarm 5 kop­ pelt, betätigt nicht nur ein festes Gelenk, sondern auch ein bewegtes Gelenk des Rads, so daß das Momentanzentrum (C2) des Rads 11 bezüglich des Verbindungs­ arms 5 der Verbindungspunkt 17 des Gelenks ist.

Demzufolge bezeichnet der gestrichelte Linienabschnitt C1, C2 einen gedachten Schwingarm, d. h. einen gedachten oberen Arm.

Außerdem wird ein Momentanzentrum C3 des Rads in bezug auf den Fahrzeugkörper durch den Schnittpunkt des Linienabschnitts C1, C2 mit einer fahrzeugseitigen Ver­ längerungslinie vom unteren Arm 6, 7 bestimmt.

Der imaginäre obere Arm C1, C2 ist so lang, daß ein Rotationswinkel des Linienab­ schnitts C1, C2 in bezug auf eine vertikale Verschiebung des Momentanzentrums C2 sehr gering ist, wie die Fig. 3 zeigt. Somit ist die Höhenänderung des Momentanzen­ trums C1 relativ klein, was bedeutet, daß die Änderung der Höhe (H) eines Roll­ zentrums RC, das ein Schnittpunkt einer Verbindungslinie der Auflage des Rads 11 mit einer Mittellinie CL des Fahrzeugkörpers ist, sehr klein wird.

Da somit die Änderung der Höhe des Rollzentrums RC gering ist, wird die Fahr­ sicherheit erhöht.

Die Achse des Achsschenkels 4 befindet sich in einem Linienabschnitt, der den Verbindungspunkt 17 des Verbindungsarms 5 mit dem Achsschenkel 4 als Momentanzentrum C2 mit einem Schnittpunkt C4 von zwei radseitigen Verlänge­ rungslinien der beiden unteren Arme 6, 7 verbindet.

Um den Versatz a wegen eines Versatzes b am Radzentrum zu reduzieren, sollte der vorstehende Teil des Verbindungsarms 5 gekürzt werden oder die radseitigen Verbin­ dungspunkte 19, 21 sollten eng und kurz sein.

Die Neigung der Achse des Achsschenkels kann wahlweise reduziert werden, so daß eine Änderung des Sturzwinkels während des Wendens des Fahrzeugs idealerweise negativ (-) festgelegt werden kann, wie es die ausgezogene Linie gemäß Fig. 4A zeigt. Entsprechend der Änderung des Sturzwinkels erhält man eine ideale Änderung der Spur, wie es die ausgezogene Linie in Fig. 4B zeigt. Hierdurch werden die Lauf­ sicherheit und der Fahrkomfort verbessert.

Da der Versatz a bzw. b des Achsschenkels verschieden eingestellt werden können, kann auch die Empfindlichkeit hinsichtlich des Steuervorgangs verringert werden. Hierdurch ergibt sich, daß alle Arten der Betriebssicherheit verbessert werden kön­ nen, einschließlich der Sicherheit beim Geradeauslauf.

Bei einem allgemeinen McPherson-Aufhängesystem sollte die Feder exzentrisch in bezug auf die Achse des Stoßdämpfers sein, um eine Kollision mit dem Fahrzeug­ körper zu vermeiden. Der äußere Durchmesser sollte außerdem groß sein. Da der Druckarm selbst um die Achse des Achsschenkels rotiert, sollte der Druckarm einen Drehraum vorsehen, um eine Kollision mit dem Fahrzeugkörper zu vermeiden.

Bei der vorliegenden Erfindung ist indessen der obere Verbindungspunkt 10 des Druckstabs 1 nach außen gerichtet, so daß das effektive Volumen des Motorraums vergrößert wird.

Wegen der oben beschriebenen Effekte kann die Höhe des Fahrzeugkörpers reduziert werden. Hierdurch wird das Gesichtsfeld des Fahrers vergrößert und der Firstpunkt herabgesetzt.

Beim Entwurf des Fahrzeugs kann dessen Schwerpunkt nach unten verschoben wer­ den. Das Trägheitsmoment um die Achse des Achsschenkels wird minimiert, wo­ durch das Flattern verhindert wird.

Claims (11)

1. Aufhängesystem für ein steuerbares Rad eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch

• a) einen Druckstab (1), der in bezug auf einen Fahrzeugkörper senkrecht angeordnet und mit dem Fahrzeugkörper über einen isolierten Verbindungsteil (10) gekoppelt ist, wobei vom unteren Teil des Druckstabs (1) ein Verbindungsarm (5) in Richtung auf ein Rad (11) abgeht;
• b) zwei obere Arme (2, 3), die den Fahrzeugkörper mit einem fahrzeugseitigen Teil des Verbindungsarms (5) beidseitig verbinden;
• c) einen Achsschenkel (4), der das Rad (11) drehbar trägt und der mit dem rad­ seitigen Ende des Verbindungsarms (5) über eine Gelenkverbindung (17) verbunden ist, wobei eine Kuppelstange (22) steuerbar mit dem Achsschenkel (4) verbunden ist; und
• d) zwei untere Arme (6, 7), die mit ihren fahrzeugseitigen Enden drehbar mit dem Fahrzeugkörper verbunden sind und die mit ihren radseitigen Enden mit dem Achs­ schenkel (4) über Gelenkverbindungen verbunden sind.

2. Aufhängesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden obe­ ren Arme (2, 3) parallel zueinander verlaufen und vorne und hinten einen bestimmten Abstand voneinander haben.

3. Aufhängesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsschen­ kel (4) radseitige Verbindungspunkte (19, 21) am unteren Teil des Achsschenkels (4) aufweist, die in derselben Ebene und eng beieinander liegen, und daß er mit dem Fahrzeugkörper verbunden ist, wobei die fahrzeugseitigen Verbindungspunkte (18, 20) auseinanderliegen.

4. Aufhängesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbin­ dungspunkt (17), an dem das obere Ende des Achsschenkels (4) mit dem Verbin­ dungsarm (5) verbunden ist, das Momentanzentrum (C2) des Achsschenkels (4) im Hinblick auf den Verbindungsarm (5) wird.

5. Aufhängesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schnitt­ punkt einer Verlängerungslinie, die beide Enden der oberen Arme (2, 3) mit einer Längslinie bezüglich der Achse des Druckstabs (1) an einem am oberen Ende des Druckstabs (1) liegenden Verbindungspunkt verbindet, ein Momentanzentrum des Verbindungsarms (5) in bezug auf den Fahrzeugkörper wird.

6. Aufhängesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linienab­ schnitt (C1-C2), der das Momentanzentrum des Verbindungsarms (5) bezüglich des Fahrzeugkörpers mit dem Momentanzentrum des Rads in bezug auf den Verbin­ dungsarm (5) verbindet, ein gedachter oberer Arm wird.

7. Aufhängesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gedachte Linie, die den Verbindungspunkt (17), wo der Verbindungsarm (5) mit dem oberen Ende des Achsschenkels (4) verbunden ist, mit einem Schnittpunkt (C1) der beiden Verlängerungslinien verbindet, welche die radseitigen Enden und die fahrzeugkörper­ seitigen Enden der beiden oberen Arme (2, 3) verbinden, eine gedachte Achs­ schenkel-Achse wird.

8. Aufhängesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Mehrtyp-Aufhängesystem mehrere Verbindungselemente so verbunden sind, daß ein Schnittpunkt des gedachten oberen Arms mit einer Verlängerungslinie, die sowohl das radseitige Ende als auch das fahrzeugseitige Ende verbindet, ein Momentan­ zentrum des Rads in bezug auf den Fahrzeugkörper wird.

9. Aufhängesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schnitt­ punkt einer imaginären Linie, welche das Momentanzentrum des Rads in bezug auf den Fahrzeugkörper mit einer Radauflage mit einer Mittellinie des Fahrzeugkörpers verbindet, ein Rollzentrum wird.

10. Aufhängevorrichtung für ein steuerbares Rad, gekennzeichnet durch

• a) einen vertikal ausgerichteten Träger (1), der an seinem oberen Ende mit einem Fahrzeug verbunden ist;
• b) einen Achsschenkel (4), der mit einem Rad (11) gekoppelt ist;
• c) ein Verbindungselement (5) zwischen dem Träger (1) und dem Achsschenkel (4);
• d) eine drehbare Vorrichtung (2, 3) zwischen einem Querträger (12) des Fahrzeugs und dem vertikalen Träger (1).

11. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Achsschenkel (4) und dem Querträger (12) eine drehbare Verbindung (6, 7) vorgesehen ist.