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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Aufhängungen vom Mac Pherson-Typ,
die an Vorlaufachsen von Kraftfahrzeugen montiert sind, insbesondere
Federbeine, und ihre Funktion beim Ausgleich des Lenksystems. Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Paar von Federbeinen
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Ein
solches Paar von Federbeinen ist beispielsweise aus der Druckschrift
US 5 947 459 bekannt.
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Dieser
Aufhängungstyp
ist deshalb interessant, weil er im Vergleich mit anderen Systemen
eine kleinere Anzahl von Elementen besitzt und einen beschränkten Platzbedarf
aufweist. Daher wird er bei heutigen Fahrzeugen sehr häufig verwendet,
insbesondere bei Kleinwagen und Mittelklassefahrzeugen.
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Ein
Problem, das alle Fahrzeugen gemeinsam haben und nicht nur Fahrzeuge
betrifft, die mit Mac Pherson-Vorlaufachsen ausgestattet sind, besteht
in der Empfindlichkeit gegenüber
Seitenkräften wegen
des für
die Stabilität
des Lenksystems erforderlichen Nachlaufs.
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Diese
Empfindlichkeit zeigt sich insbesondere dann, wenn das Fahrzeug
auf einer geneigten Fahrbahn fährt.
Fahrbahnen weisen im Allgemeinen eine Seitenneigung auf, die auch
als „Schräge" bezeichnet wird
und das Ablaufen von Wasser erleichtern soll. Diese Neigung induziert
eine Kraft, durch die die Fahrzeuge in Richtung der niedrige ren
Seite der Fahrbahn abgelenkt werden, d.h. nach außen. Diese
Abweichungsneigung, die auch als „Seitwärtsziehen" bezeichnet wird, zwingt den Fahrer
bei Fehlen einer korrigierenden Einrichtung dazu, das Fahrzeug zu
lenken, wenn er den Geradeauslauf beibehalten will. Die Fahrzeugkonstrukteure
und Reifenhersteller berücksichtigen
diese Tendenz bei der Auslegung des Fahrzeugs. Deswegen wurden unsymmetrische
Aufhängungen
entwickelt, die diese Tendenz kompensieren können. In gleicher Weise können einige
Reifenstrukturen ein leichtes Seitwärtsziehen erzeugen, das, wenn
es dem durch die Fahrbahnschräge
hervorgerufenen Ziehen entgegengerichtet ist, die am Lenkrad für die Aufrechterhaltung
des Geradeauslaufs erforderliche Kraft verringert oder aufhebt.
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In
Europa sind die allermeisten Fahrzeuge dazu vorgesehen, auf der
rechten Seite der Straße gefahren
zu werden (was auch als „Rechtsverkehr" bezeichnet wird);
durch ihre Konzipierung und/oder ihre Ausstattung mit Luftreifen
kann daher das Seitwärtsziehen
kompensiert werden, das durch die mittlere Schräge des rechten Teils einer
Fahrbahn verursacht wird. Aus ökonomischen
Gründen
wird diese Konfiguration im Allgemeinen durch die Bereiche des Marktes
(wie das Vereinigte Königreich)
nicht in Frage gestellt, wo die Fahrzeuge auf der linken Seite der Straße fahren
(auch als „Linksverkehr" bezeichnet). Das
Problem des Seitwärtsziehens,
das durch die Neigung der Fahrbahn auftritt, wird dann noch drastischer,
da die zur Kompensation des Ziehens nach rechts eingesetzten Korrekturen
unvermeidlich die Tendenz zum Ziehen nach links vergrößern. Diese Situation
ist für
den Fahrer unangenehm, da er im Mittel auf das Lenkrad des Fahrzeugs
eine Kraft in der Größenordnung
von 4 Newton ausüben
muss, um sein Fahrzeug im Geradeauslauf zu halten. Die Größe dieser
Märkte
rechtfertigt jedoch eine Entwicklung von speziellen unsymmetrischen
Aufhängungen nicht.
In gleicher Weise widerstrebt es den Herstellern einerseits wegen
der geringen Nachfrage und andererseits wegen der Schwierigkeit,
die endgültige Bestimmung
der Produkte in einem europäischen Markt
mit freier Warenzirkulation zu steuern, örtlich begrenzt Luftreifen
zu kommerzialisieren, die ein Seitwärtsziehen in der entgegengesetzten
Richtung hervorrufen.
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Diese
Situation, die hier zur Erläuterung
beschrieben wird, ist natürlich
nicht auf den europäischen
Markt beschränkt.
Andere Märkte
haben die gleiche oder eine umgekehrte Problematik. Andererseits
gilt das hier für
den (ungünstigsten)
Fall von Kraftfahrzeugen, die zur Kompensation eines Seitwärtsziehens
konzipiert und ausgestattet sind, Beschriebene natürlich auch
für ein
Fahrzeug, welches für
ein neutrales Verhalten (keine Neigung) konzipiert und ausgestattet
ist und an den jeweiligen Markt mit Rechtsverkehr oder Linksverkehr
angepasst werden soll.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, für Kraftfahrzeuge, die mit Mac
Pherson-Vorlaufachsen ausgestattet sind, eine Lösung anzugeben, um das Seitwärtsziehen
in eine bestimmte Richtung zu kompensieren und gegebenenfalls auch
die Auswirkungen von Korrekturen zu kompensieren, die durch die
ursprüngliche
Konzipierung der Fahrzeuge bedingt sind, um ein Ziehen in eine entgegengesetzte Richtung
wettzumachen.
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Eine
zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, weder das Aufziehen
der Luftreifen noch die Geometrien oder Federn der Aufhängungen,
die für die
Konzipierung des Fahrzeugs gewählt
wurden, in Frage zu stellen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Federbein gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Einige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis
6 definiert worden.
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Die Änderungen
in der Neigung oder Position der Achse der Montage der Feder auf
dem unteren Federteller in einer Ebene senkrecht zur Achse der Kolbenstange
des Dämpfers
führen
zu einer Änderung
der Position und Richtung der Druckachse der Feder. Wenn sich in
Richtung der Achse des Fahrzeugs der Abstand zwischen der Druckachse und
der Lenkachse der Aufhängung
verändert,
erzeugt dies ein veränderliches
Drehmoment, das das Rad um seine Lenkachse drehen kann. Wenn das andere
Rad einem Drehmoment mit unterschiedlicher Größe (oder sogar Null) oder einem
gleichgerichteten Drehmoment (und somit in Bezug auf das Fahrzeug
unsymmetrischen Drehmoment) ausgesetzt ist, kann die Resultierende
(nicht Null) dieser beiden Drehmomente das Fahrzeug schwenken. Die Erfindung
besteht darin, diese Resultierende zu benutzen, um das Seitwärtsziehen
zu kompensieren.
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Es
wurden mehrere Möglichkeiten
in Betracht gezogen, um durch die Positionierung der Montageachse
der Feder auf dem unteren Federteller ein unsymmetrisches Drehmoment
um die Lenkachse zu erzeugen. Die Achse des Federtellers kann an
einer Seite des Fahrzeugs in Längsrichtung
um eine bestimmte Länge
und in einer bestimmten Richtung verschoben werden und um einen
anderen Betrag auf der anderen Seite des Fahrzeugs in der gleichen
Richtung oder in der entgegengesetzten Richtung. Bei der Anpassung
eines Fahrzeugs, dessen Verhalten bekannt ist, kann auch nur ein
Federbein modifiziert werden, um diese Unsymmetrie hervorzurufen.
Im Gegensatz dazu kann eine Unsymmetrie (und damit eine Korrektur)
erzielt werden, indem auf beiden Seiten des Fahrzeugs identische
Federbeine verwendet werden, welche jeweils ein Drehmoment in der
gleichen Richtung (und damit in Bezug auf das Fahrzeug unsymmetrisches
Drehmoment) erzeugen, wobei diese beiden Drehmomente zusammenwirken, um
das Seitwärtsziehen
zu kompensieren.
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Der
durch das Verschieben des unteren Federtellers erhaltene Effekt
kann auch durch geneigte Montage des Federtellers erreicht werden.
In gleicher Weise erzeugen zwei gleiche Federbeine (die einen geneigten
Federteller oder ein geneigtes Zwischenstück enthalten), die auf den
beiden Seiten des Fahrzeugs montiert werden, jeweils ein Drehmoment in
der gleichen Richtung (also unsymmetrisch in Bezug auf das Fahrzeug),
wobei die beiden Drehmomente sich aufaddieren, um das Seitwärtsziehen
zu kompensieren.
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Bei
der Konzipierung eines Fahrzeugs kann gemäß der Erfindung ei ne Anpassung
an das Fahren auf der rechten Seite (bzw. auf der linken Seite)
erfolgen, indem es mit Federbeinen ausgestattet wird, bei denen
die Positionierung des Federtellers ein Drehmoment um die Lenkachse
hervorruft, durch das das Fahrzeug nach links (bzw. nach rechts)
ausgelenkt wird. Es werden zwei gleiche Federbeine verwendet, die
auf beiden Seiten des Fahrzeugs montiert werden. In diesem Fall
benutzt man zwei Federbein-Modelle, ein Modell für das Fahren auf der linken
Seite und das andere Modell für
das Fahren auf der rechten Seite. Es kann auch nur ein Federbein
für die spezielle
Anpassung jeweils an einem Verkehrstyp verwendet werden, das unterschiedslos
auf einer Seite oder der anderen Seite des Fahrzeugs montiert werden
kann.
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Es
wird nun als Beispiel ein Fahrzeug angenommen, das für ein neutrales
Verhalten beim Fahren auf der rechten Seite konzipiert und mit Luftreifen ausgestattet
ist und dessen Federbeine identisch und symmetrisch sind und daher
weder das eine noch das andere Drehmoment um die Lenkachse hervorrufen.
Die Anpassung dieses Fahrzeugs an das Fahren auf der rechten Seite
wird beispielsweise durch ein Aufziehen von speziellen Luftreifen und/oder
eine etwas unsymmetrische Montage der Elemente der Aufhängung erreicht.
Dieses Fahrzeug kann an das Fahren auf der linken Seite gemäß dem Prinzip
der Erfindung dadurch angepasst werden, dass eines der Federbeine
oder beide Federbeine ersetzt werden. Wenn beide Federbeine ersetzt
werden, kann auf beiden Seiten des Fahrzeugs ein identisches, unsymmetrisches
Federbein verwendet werden. Insgesamt werden für dieses Fahrzeug zwei unterschiedliche
Federbeine zur Anpassung an die beiden Verkehrstypen benutzt. Beispielsweise
wegen der Logistik des Ersatzteilmarktes wird bevorzugt nur eine
Art von Teilen für
den gleichen Markt oder für
einen gleichen Marktbereich verwendet, wobei die Anpassung an das
Fahren auf der rechten Seite durch das Verändern der beiden Federbeine
diesen Vorteil aufweist.
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Eine
dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bestmögliche Funktionieren
des Federbeines zu garantieren, indem die Querkräfte auf die Kolbenstange minimiert
werden, die innere Reibungen hervorrufen und daher zu einer beschleunigten
Abnutzung und verminderten Leistung der Aufhängung führen. Diese Aufgabe wird durch
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gelöst,
bei der durch die Modifikation der Position der Druckachse der Feder
die Bedingungen nicht in Frage gestellt werden, die bekanntlich
zu einer möglichst
kleinen Querkraft führen.
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Die
verschiedenen Prinzipien der Erfindung werden anhand der Beschreibung
der folgenden Figuren noch besser verständlich:
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1:
Prinzipschema einer Aufhängung vom
Mac Pherson-Typ im Längsschnitt
(Stand der Technik),
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2:
Prinzipschema einer Aufhängung vom
Mac Pherson-Typ in der Seitenansicht (Stand der Technik),
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3:
Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Ausführungs form in der Seitenansicht,
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4:
Prinzipschema einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform in der Seitenansicht,
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5:
Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aufhängung vom Mac Pherson-Typ an
einer Kraftfahrzeugachse im Längsschnitt,
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6:
Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Aufhängung vom Mac Pherson-Typ an
einer Kraftfahrzeugachse in der Draufsicht.
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1 zeigt
schematisch in einer statischen Ansicht entlang der Längsachse
des Fahrzeugs eine bekannte Aufhängung
vom Mac Pherson-Typ, die den linken Teil der Vorderachse des Fahrzeugs
bildet. Das Federbein (1) umfasst einen Körper (2)
und eine Stange (3). Das Federbein (1) ist über einen
Gabelkopf an einer Radhalterung (10) befestigt, die das linke
Vorderrad (11) des Fahrzeugs trägt. Die Radhalterung (10)
ist über
eine Stange (13) mit dem Lenksystem des Fahrzeugs verbunden.
Die Radhalterung (10) ist am Punkt B über ein Gelenk mit dem unteren Dreieckslenker
(12) verbunden, der wiederum entlang einer Achse A über ein
Gelenk mit dem Fahrzeugaufbau verbunden ist.
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Eine
Schraubenfeder (5) gewährleistet
zwischen dem unteren Federteller (6) und dem oberen Federteller
(7) eine Ddruckkraft F →. Der obere Federteller (7)
ist über
ein Kugellager (nicht dargestellt) an dem Fahrzeugaufbau in Auflage.
Der untere Federteller (6) umfasst eine Montageachse (4)
der Feder (5). Die Stange (3) ist am Punkt D über ein
Gelenk mit dem Fahrzeugaufbau verbunden. Die Achse DB bildet die
Lenkachse, um die die Rad/Federbein-Einheit zur Lenkung des Fahrzeugs
gedreht wird. Das Rad erfährt
von der Fahrbahn eine senkrechte und in Bezug auf den Luftreifen
(14) mittige Kontaktkraft P →. Der Punkt C befindet sich am
angenommenen Schnittpunkt von Ebene AB und Kontaktkraft P →. Eine Bedingung
für ein
gutes Funktionieren eines Federbeins besteht darin, dass sich die
Druckachse der Feder so nah wie möglich an diesem Punkt C befindet,
um die Querkräfte
an der Stange (3) und somit Reibung so gut wie möglich zu
vermeiden. Daher wird die Achse der Feder relativ zu der Achse der
Stange geneigt. Das auf die Aufhängung
ausgeübte
Kräftegleichgewicht
ist in Vektorform: F → + P → + R → = 0.
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2 ist
eine statische schematische Ansicht in Richtung der Querachse des
Fahrzeugs der in 1 dargestellten Aufhängung vom
Mac Pherson-Typ. Der Betrachter sieht in der 1 den linken Teil
der Vorderachse von der Außenseite
des Fahrzeugs. Die Stange (3) und der Körper (2) des Federbeins
(1) verlaufen im wesentlichen parallel zur Lenkachse DB.
Die Lenkachse ist bezüglich
der Senkrechten in Fahrzeug-Längsrichtung
um einen kleinen Winkel (Nachlaufwinkel) geneigt. Wenn der Nachlaufwinkel
nicht Null ist (was meistens der Fall ist), führt diese Neigung dazu, dass
sich der Punkt C nicht auf einer Linie mit der Lenkachse DB befindet.
Die Druckachse der Feder ist im Allgemeinen mit der Lenkachse ausgerichtet.
Die Position und Ausrichtung der Federteller (unterer Federteller
(6) und oberer Federteller (7)) sind im Allgemeinen
in Bezug auf den Körper
(2) des Dämpfers
symmetrisch, damit auf beiden Seiten der Vorlauf achse das gleiche
Federbein verwendet werden kann. Diese identischen Federbeine werden
im Allgemeinen auf unterschiedliche Radhalterungen montiert. Die
Montageachse (4) der Feder auf dem unteren Federteller
ist in dieser Ansicht mit der Lenkachse DB ausgerichtet, so dass der
Abstand zum Punkt C vermindert wird.
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In
der 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Diese Ansicht ähnelt
der Ansicht von 2. Der untere Federteller (6)
ist in Bezug auf den Körper
(2) des Federbeins in Richtung der Fahrzeugfront verschoben.
Die Montageachse (4) der Feder ist ebenfalls nach vorne
verschoben, ihre Projektion auf eine Medianebene des Fahrzeugs ist
in etwa parallel zu der der Lenkachse DB. Diese Modifikation verändert die
Druckachse F' → der Feder (5), die in Längsrichtung auf Höhe des oberen
Federtellers (7) eine Strecke d von der Lenkachse DB beabstandet
ist. Hierdurch kann um die Lenkachse. BD ein Drehmoment erzeugt
werden, das das Federbein und damit das Rad 11) dreht.
Das mit einem solchen Federbein ausgestattete Kraftfahrzeug hat
die Tendenz, (bei ebener Fahrbahn) nach rechts auszulenken. Alternativ
hierzu kann der umgekehrte Effekt erzielt werden, indem der Federteller
(und damit seine Montageachse) in Richtung Fahrzeugheck verschoben
wird (bei einem linken Vorderrad), wobei ein mit einem solchen Federbein
ausgestattetes Fahrzeug die Tendenz hat, (auf ebener Fahrbahn) nach
links zu drehen.
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In
der 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Diese Ansicht ähnelt
der Ansicht von 2. Der untere Federteller (6)
ist in Bezug auf den Körper
(2) des Federbeins geneigt, wobei der hin tere Teil des
Federtellers höher
liegt als der vordere Teil. Die Projektionen, auf eine Medianebene
des Fahrzeugs, der Montageachse (4) der Feder (5)
auf dem Federteller (6) und der Lenkachse DB schneiden
sich. Die Neigung der Montageachse (4) der Feder (5)
auf dem Federteller (6) verschiebt die Druckachse (F →) der
Feder (5) auf der Höhe
des oberen Federtellers (7) in Längsrichtung um eine Strecke d' von der Lenkachse
DB. Hierdurch kann um die Lenkachse DB ein Drehmoment erzeugt werden,
das das Federbein und somit das Rad (11) drehen kann. Ein
mit einem solchen Federbein ausgestattetes Fahrzeug hat die Tendenz
(auf ebener Fahrbahn) nach rechts auszuweichen. Alternativ hierzu
hat das mit einem solchen Federbein ausgestattete Fahrzeug die Tendenz,
(auf ebener Fahrbahn) nach links auszuweichen, wenn der Federteller
in der anderen Richtung geneigt ist. Die Neigung der Montageachse des
Federtellers kann auch erzielt werden, indem eine Keilscheibe zwischen
der Feder und dem Federteller angebracht wird.
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Von
den beiden Ausführungsformen
der Erfindung wird die Ausführungsform
der
3 bevorzugt, da sie zu einem besseren Funktionieren
des Federbeins führt,
weil die Querkräfte
an dem Stab wegen dem kleineren Abstand zwischen der Druckachse
und dem Punkt C minimiert werden. Es kann ferner eine Kombination
aus diesen beiden Ausführungsformen
eingesetzt werden, um alle erforderlichen Korrekturwerte des Seitwärtsziehens
unter den bestmöglichen
Betriebsbedingungen abzudecken, d.h., indem die Druckachse der Feder
so nah wie möglich
am Punkt C ausgerichtet wird. Die Ermittlung der mittleren idealen
Position der Montageachse (
4) der Feder auf dem unteren
Federteller kann, für
eine Fahrkonfiguration; mit Hilfe eines Prüfstands erfolgen, wie in der
Druckschrift
EP 0780250 beschrieben ist.
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Die 5 und 6 zeigen
die Situation für ein
Fahrzeug, das auf beiden Seiten mit identischen Federbeinen, wie
sie in der 3 dargestellt sind, ausgestattet
ist. In der 5 (Ansicht vom Fahrzeugheck)
ist keinerlei Unsymmetrie zu sehen. Die Druckachsen (F1 →, F2 →) sind coplanar
mit den Ebenen, die die charakteristischen Punkte C1 und D1, beziehungsweise
C2 und D2 enthalten. Die 6 zeigt schematisch die gleichen
Elemente des gleichen Fahrzeugs in Draufsicht. In dieser Ansicht
ist der Abstand d zu sehen, der die Druckachsen (F1 →, F2 →) von den Lenkachsen
(D1B1, D2B2) in Höhe
der oberen Federteller (71, 72) trennt. Es ist
auch die Unsymmetrie zu sehen, die durch die Montage des gleichen
Federbeins auf beiden Seiten des Fahrzeugs hervorgerufen wird. Die
Montageachse (41, 42) der Feder ist auf dem unteren
Federteller (61, 62) in Richtung der linken Vorderseite
des Fahrzeugs und in Richtung der rechten Hinterseite des Fahrzeugs
verschoben. Dadurch erfahren die Räder (111, 112)
ein Drehmoment, das sie drehen lässt
und das Fahrzeug zur rechten Fahrbahnseite ablenkt. Die Summe dieser beiden
Aktionen kann eine Tendenz zum Seitwärtsziehen nach links korrigieren.
Diese Konfiguration kann die Auswirkungen einer nach links geneigten Fahrbahn
kompensieren und gegebenenfalls auch die Korrektureinrichtungen
kompensieren, die bei der Konzipierung des Fahrzeugs vorgesehen
wurden, um die Auswirkungen einer Fahrbahnneigung nach rechts zu
korrigieren. In Abhängigkeit
vom Fahrzeug kann durch einen Ab stand (d, d') in der Größenordnung von 5 bis 15 mm
in dem betrachteten Fall das gewünschte
Drehmoment erzeugt werden. Dieser Abstand kann durch ein Verschieben
der Montageachse der Feder auf dem unteren Federteller in der Größenordnung
von 6 bis 20 mm erhalten werden. Für eine Neigung der Montageachse
der Feder (4) kann ein Winkel in der Größenordnung
von 6 bis 20° zu
einer äquivalenten
Wirkung führen.
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Die
Ausführungsformen
der 3 bis 6 betreffen insbesondere ein
Verfahren und Einrichtungen zur Kompensation eines Seitwärtsziehens
nach links. Die Kompensation eines Seitwärtsziehens nach rechts erfolgt
natürlich
nach der gleichen Methode und äquivalenten
Mitteln, deren Wirkung jedoch umgekehrt ist.