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Die Erfindung betrifft eine Verbundlenkerachse für eine Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Gattungsgemäße Verbundlenkerachsen weisen Merkmale sowohl der Längslenker- als auch der konventionellen Starrachse auf. Sie sind üblicherweise einfach aufgebaut und bestehen im Wesentlichen aus zwei verdreh- und biegesteifen Längsträgern, die über einen ebenfalls biegesteifen, aber torsionsweichen Querträger miteinander verbunden sind. Durch die torsionsweiche Ausführung des Querträgers wird ein gegenseitiges Verschränken der die Räder tragenden Längslenker ermöglicht. Gleichzeitig übernimmt der Querträger der Verbundlenkerachse die Aufgabe eines Wankstabilisators für das Fahrzeug. Die Verbundlenkerachse ermöglicht generell einen guten Geradeauslauf, der dadurch gewährleistet wird, dass beide Längsträger ihr Rad in Längsrichtung starr führen. Die Längslenker schwenken bei gleichseitigem Ein- und Ausfedern mit dem Querträger wie ein horizontales Pendel um die Anlenkpunkte am Fahrzeugboden, so dass sich die Radspur nur sehr gering ändert. Bei wechselseitigem Einfedern verdreht sich der Querträger und gleicht Höhendifferenzen zwischen den beiden Rädern aus.
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Für die Hinterachse eines Fahrzeugs gelten Verbundlenkerachsen als kostengünstige Lösung, da sie weitgehend nur aus einer Schweißbaugruppe mit zwei Gummilagern bestehen. Diese Achsengattung ist ferner einfach zu montieren und am Kraftfahrzeug platzsparend anzuordnen, sodass viele Personenkraftwagen bis zur Kompaktklasse diesen Achsentyp aufweisen.
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Einschränkungen sind jedoch bei der Fahrdynamik der Verbundlenkerachse bekannt, insbesondere durch konzeptbedingt ungünstige Seitenkraftabstützung, woraus eine Tendenz zum Seitenkraftübersteuern und eine erschwerte Entkopplung von Schwingungen resultieren. Eine gattungsgemäße Verbundlenkerachse ist aus der
DE 10 2008 002 639 A1 für ein Kraftfahrzeug bekannt. Diese Verbundlenkerachse weist einen Querträger auf, der die Einfederung der Hinterräder des Kraftfahrzeugs über Längsträger torsionsweich miteinander koppelt. Der Querträger ist endseitig auf jeder Fahrzeugseite mit einem Längslenker verbunden, an dem jeweils ein Fahrzeugrad befestigt ist. Zur Aufnahme des jeweiligen Fahrzeugrades und zur Verbindung zwischen Längslenker und Fahrzeugrad dient bei diesem Stand der Technik ein Radträger, der mittels einer schwenkbaren Verbindung mit dem Längslenker eine Lenkbewegung des jeweiligen Fahrzeugrads erlaubt. Zur Erzeugung der zugehörigen Lenkbewegung dient eine Aktuatoreinrichtung, die über eine Spurstange mit den Radträgern verbunden ist.
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Die aus dieser Druckschrift bekannte Verbundlenkerachse ermöglicht somit eine aktive Beeinflussung des Spurwinkels der Hinterräder, um auf diese Weise insbesondere die Fahrdynamik der Verbundlenkerachse zu verbessern. Bei der aus dieser Druckschrift bekannten Verbundlenkerachse kann sich jedoch – je nach Positionierung und Anlenkung der Spurstange – eine kinematische Unterbestimmung der Anordnung aus Spurstange und Aktuatoreinrichtung ergeben, was in Abhängigkeit der (ggf. einseitigen) Einfederung der Verbundlenkerachse insbesondere zu Spurdifferenzwinkeln, also zu Fehlern bezüglich des Lenkeinschlags der gelenkten Hinterräder führen kann.
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Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbundlenkerachse bereitzustellen, bei der Spurstange und Aktuatoreinrichtung eine im Hinblick auf die Minimierung von Spurdifferenzwinkeln optimierte kinematische Auslegung aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbundlenkerachse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft eine Verbundlenkerachse für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeugs, wobei die Verbundlenkerachse ein tordierbares Querprofil und jeweils einen mit dem Querprofil verbundenen Längslenker an jedem der beiden Enden des Querprofils aufweist. Das Querprofil wird auch als Querträger bezeichnet und kann im Querschnitt die Form eines gerundeten oder eckigen U oder V oder einer Kombination aufweisen. Auch kann das Querprofil aus einer Kombination der genannten Formen und sowohl einteilig als auch mehrteilig ausgebildet sein. Das Querprofil kann als Pressteil z. B. aus einem Rohr gefertigt sein oder als Innenhochdruckumgeformtes Bauteil gefertigt sein. Jeder Längslenker trägt einen um eine Lenkachse schwenkbaren Radträger, wobei die Radträger mittels einer Spurstange über Kugelgelenke miteinander verbunden sowie mit einer Aktuatoreinrichtung gekoppelt sind. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit zur aktuatorischen Erzeugung einer Lenkbewegung der Radträger und damit der mit den Radträgern verbindbaren Fahrzeugräder.
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Die gattungsgemäße Verbundlenkerachse wird durch die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass an der Spurstange eine kinematische Koppelanordnung angreift, wobei die Koppelanordnung zur Einschränkung des rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrads der Spurstange eingerichtet ist.
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Wenn vorstehend oder nachfolgend von einem Fahrzeug die Rede ist, so kann damit sowohl ein mit einem Antrieb ausgestattetes Kraftfahrzeug, als auch ein nicht angetriebenes Fahrzeug wie beispielsweise ein Anhänger gemeint sein, an dem eine Verbundlenkerachse vorhanden ist. Der Begriff "rotatorischer Bewegungsfreiheitsgrad der Spurstange" ist im Sinne der Erfindung dahingehend zu verstehen, dass damit die Rotation um die durch die beiden Kugelgelenke definierte Achse gemeint ist, über welche die Spurstange üblicherweise mit den Radträgern verbunden ist. Ist die Spurstange nicht gekröpft sondern gerade wie bei einem Rohr ausgeführt, so ist die Rotation der Spurstange um ihre Längsachse gemeint.
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Bei der Verbundlenkerachse gemäß der Erfindung ist – anhand der kinematischen Koppelanordnung – der rotatorische Bewegungsfreiheitsgrad der Spurstange eingeschränkt bzw. blockiert. Ohne die Koppeleinrichtung weist die Spurstange einer gattungsgemäßen Verbundlenkerachse – aufgrund ihrer Verbindung mit den Radträgern, die typischerweise über Kugelgelenke erfolgt – einen rotatorischen Freiheitsgrad auf und kann sich um die durch die Kugelgelenke definierte Achse drehen bzw. um diese schwenken. Dies bedeutet, dass sowohl die Spurstange als auch die an der Spurstange angreifende Aktuatoreinrichtung einer gattungsgemäßen Verbundlenkerachse eine kinematische Unterbestimmung aufweisen kann. Dies kann, wie eingangs dargelegt, zu unerwünschten Betriebszuständen, insbesondere zu Spurfehlern bzw. Spurdifferenzwinkeln beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, beim einseitigen Einfedern der Verbundlenkerachse führen.
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Aufgrund der mit der Erfindung gegebenen kinematischen Koppelung durch die Koppelanordnung wird der rotatorische Bewegungsfreiheitsgrad der Spurstange durch das Zusammenwirken der Koppelanordnung mit den weiteren Befestigungspunkten der Spurstange in Form der Kugelgelenke an den Radträgern und eingeschränkt. Die Spurstange kann somit nicht mehr frei um ihre Längsachse bzw. um die durch die beiden Kugelgelenke der Radträger definierte Achse rotieren bzw. geschwenkt werden, wodurch sich vorteilhaft die kinematische bestimmte Position der Spurstange ergibt.
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Die Spurstange kann demzufolge nur noch die vorgesehenen, im Wesentlichen translatorischen Bewegungen annähernd quer zur Fahrtrichtung bzw. annähernd parallel zum Querprofil der Verbundlenkerachse ausführen. So wird durch die Spurstange der Betätigungsweg der Aktuatoreinrichtung auf die Radträger übertragen, wodurch sich wiederum der gewünschte Lenkeinschlag der Radträger bzw. Fahrzeugräder ergibt.
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Aufgrund des somit gegebenen eingeschränkten Freiheitsgrads der Spurstange und damit auch der an die Spurstange gekoppelten Aktuatoreinrichtung ergibt sich ein sicherer Betriebszustand in Bezug auf die durch Aktuatoreinrichtung, Spurstange und Radträger gebildete Ansteuerung bzw. Anlenkung der Hinterräder. Damit werden Spurfehler bzw. Spurdifferenzwinkel vermieden bzw. minimiert, insbesondere beim einseitigen Einfedern der Verbundlenkerachse.
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Die Erfindung wird zunächst unabhängig davon verwirklicht, wo und wie die Koppelanordnung befestigt ist, solange damit die Einschränkung des rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrads der Spurstange gegeben ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Koppelanordnung am Querprofil der Verbundlenkerachse befestigt. Auf diese Weise ergibt sich eine platzsparende Unterbringung der Koppelanordnung an der Verbundlenkerachse, und die Spurstange kann den Einfederungsbewegungen der Verbundlenkerachse folgen, wodurch Spurdifferenzwinkel beim gegensinnigen Einfedern minimiert bzw. unterbunden werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Einschränkung des rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrads der Spurstange des Weiteren dadurch, dass die Koppelanordnung die Spurstange annähernd parallel zur Fahrzeughochachse, insbesondere parallel zur Fahrzeughochachse. Alternativ kann die Anbindung der Koppelanordnung aber auch entlang einer Richtung tangential zur Rotationsachse der Spurstange erfolgen. So ist z. B. auch eine Anbindung annähernd parallel zur Fahrzeuglängsachse oder parallel zur Fahrzeuglängsachse möglich.
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Unter dem Ausdruck "entlang einer Richtung tangential zur Rotationsachse der Spurstange" ist im Sinne der Erfindung diejenige Richtung zu verstehen, die sich – bei einer gedachten Rotationsbewegung der Spurstange um die durch die Kugelgelenke der Radträger definierte Längsachse – am Angriffspunkt der Koppelanordnung an der Spurstange ergibt. Erfolgt mit anderen Worten eine Anlenkung der Spurstange im Angriffspunkt der Koppelanordnung an der Spurstange entlang der Vertikalrichtung bzw. Fahrzeughochachse bzw. entlang der genannten Richtung, so wird damit die Einschränkung des rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad der Spurstange erreicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Koppelanordnung eine Pendelstütze. Dabei koppelt die Pendelstütze – bezüglich des rotatorischen Freiheitsgrads der Spurstange – das Querprofil der Verbundlenkerachse kinematisch mit der Spurstange. Die Ausgestaltung der Koppelanordnung in Form einer Pendelstütze lässt sich kostengünstig realisieren, nimmt wenig Bauraum in Anspruch und kann zudem schwingungsdämpfend ausgeführt werden, beispielsweise durch den Einsatz von Elastomerlagern für die Pendelstütze. Vorzugsweise verläuft dabei die Längsachse der Pendelstütze annähernd parallel oder parallel zur Fahrzeughochachse, oder parallel zu einer Richtung tangential zur Rotationsachse der Spurstange. Auf diese Weise lässt sich die Spurstange bezüglich Rotation effektiv abstützen, da der Verlauf des (ohne die Pendelstütze) verbleibenden Freiheitsgrads der Spurstange auf diese Weise mit der Längsachse der Pendelstütze zusammenfällt. Gleichzeitig bleibt der zur Übertragung der Lenkbewegungen notwendige translatorische Bewegungsfreiheitsgrad der Spurstange erhalten.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Angriff der Pendelstütze an der Spurstange etwa Mitte der Spurstange, insbesondere in der Mitte der Spurstange erfolgt. Vorzugsweise ist dabei das spurstangenseitige Gelenk der Pendelstütze im Schubmittelpunkt des Querprofils der Verbundlenkerachse angeordnet.
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Der Schubmittelpunkt des Querprofils ist derjenige gedachte Punkt am Querprofil, an dem die Momentachse einer einseitigen Einfederungsbewegung das Querprofil näherungsweise trifft bzw. schneidet. Denn bei einer einseitigen Einfederungsbewegung der Verbundlenkerachse ähnelt die Kinematik der Verbundlenkerachse – aufgrund der Tordierung des Querprofils – der Kinematik einer Schräglenkerachse, und es ergibt sich eine Momentachse der Einfederungsbewegung, die durch das jeweilige Lager des einfedernden Längslenkers einerseits, sowie durch den gedachten Schubmittelpunkt des Querprofils andererseits verläuft.
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Mit anderen Worten bringt es diese Ausführungsform mit sich, dass der Schubmittelpunkt des Querprofils – ebenso wie der gemäß dieser Ausführungsform dort angeordnete Angriffspunkt der Pendelstütze – bei einer Einfederungsbewegung keine oder allenfalls eine sehr geringe Bewegung in Einfederungsrichtung erfährt. Dies kommt mit Vorteil (wie auch generell die mittige Anordnung des Angriffspunkts der Pendelstütze an Querprofil bzw. Spurstange) ebenfalls der Minimierung des Spurdifferenzwinkels sowie der Minimierung von Abweichungen des Radträger-Lenkwinkels von der Sollgröße zugute.
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Die Erfindung wird zunächst unabhängig davon verwirklicht, wie die Anbindung des Aktuators an die Spurstange der Verbundlenkerachse erfolgt. Wiederum im Hinblick auf eine Minimierung von Spurdifferenzwinkeln bzw. eine Eliminierung jeglichen unsymmetrischen Verhaltens bei einseitiger Einfederung ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Verbindung zwischen Aktuator und Spurstange mittels eines in Fahrzeugquerrichtung mittig der Spurstange angeordneten Gelenks erfolgt.
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Zum Ausgleich von Relativbewegungen zwischen den miteinander korrespondierenden Bauteilen der Verbundlenkerachse, insbesondere zur Schwingungsdämpfung, ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn die gelenkige Verbindung zwischen Aktuator und Spurstange über zwei Freiheitsgrade verfügt, wobei es sich folglich vorzugsweise um ein Kugelgelenk, ein Hülsengelenk oder um ein Elastomerlager handelt, welches Drehbewegungen und in begrenztem Umfang auch kardanische Auslenkungen gestattet. Insbesondere beim Einsatz eines Elastomerlagers erfolgt nicht nur eine Komfortverbesserung, sondern auch eine Reduzierung der Verschleißanfälligkeit der Einzelteile, und damit eine Erhöhung der Lebensdauer der lenkbaren Verbundlenkerachse insgesamt.
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Ein weiterer vorteilhafter Lösungsgedanke der Erfindung besteht darin, dass der Aktuator ein elektromotorisches, ein hydraulisches oder ein pneumatisches Stellglied ist, in Abhängigkeit davon, welche Hilfsenergie im Kraftfahrzeug vorhanden oder auf einfache Weise als Antrieb des Aktuators genutzt werden kann, so dass zusätzlicher baulicher oder konstruktiver Aufwand weitgehend vermeidbar ist. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen lässt sich der Aktuator gemäß dieser Ausführungsform optimal in das System integrieren.
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Bevorzugt ist der Aktuator dabei an einem der Längslenker befestigt. Dies hat den Vorteil, dass an den Längslenkern jeweils ein Bereich hoher Stabilität der Verbundlenkerachse vorliegt. Insbesondere sind dort nahezu keine durch Verwindungen oder Verformungen der Verbundlenkerachse hervorgerufenen Beeinflussungen der Arbeitsweise des Aktuators zu befürchten, wodurch die Verbundlenkerachse auf diese Weise störungsfrei funktionieren kann. Die Anbringung des Aktuators ist dabei nach wie vor in Grenzen variabel, sodass eine Anpassung an den im Fahrzeug vorhandenen Bauraum möglich ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellender Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die einzige:
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Fig.: in isometrischer Darstellung eine lenkbare Verbundlenkerachse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Fig. zeigt eine lenkbare Verbundlenkerachse, beispielsweise für die Hinterradaufhängung eines Kraftfahrzeugs, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Man erkennt den Achskörper, der den torsionsweichen Querträger 1 sowie zwei mit dem Querträger 1 verbundene Längslenker 2, 3 umfasst. An den Längslenkern 2, 3 sind jeweils Elastomerlager 4, 5 zur Anbindung an ein (nicht dargestelltes) Fahrzeugchassis angeordnet. Die Längslenker 2, 3 weisen jeweils Federteller 6, 7 zur Aufnahme der (ebenfalls nicht dargestellten) Fahrwerksfedern auf.
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Ferner trägt jeder Längslenker 2, 3 einen Radträger 8, 9, welcher jeweils um eine fahrzeugbezogen (näherungsweise, bis auf Spreizung und Nachlauf) vertikal verlaufende Lenkachse 10, 11 schwenkbar ist. Die Radträger 8, 9 sind über Kugelgelenke 12, 13 mit einer Spurstange 14 verbunden, welche mittels eines Aktuators 15 entlang der Pfeilrichtung 16 hin und her bewegbar ist. Der Aktuator 15 ist dabei am zeichnungsbezogen rechten Längslenker 3 befestigt, um auf diese Weise nachteilige Auswirkungen der im Betrieb der Verbundlenkerachse auftretenden Tordierungen des Querprofils 1 auf den Betrieb des Aktuators 15 zu umgehen.
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Um eine unerwünschte Rotation 18 der Spurstange 14 um die durch die beiden Kugelgelenke 12, 13 definierte, gedachte Achse zu unterbinden, die ansonsten zu undefinierten Betriebszuständen und/oder zu Spurfehlern des Lenkeinschlags der Radträger 8, 9 führen könnte, weist die Verbundlenkerachse eine hier als Pendelstütze 17 ausgebildete Koppelanordnung auf. Die Pendelstütze 17 unterbindet die vertikale Bewegung der Spurstange 14 entlang der Pfeilrichtung 18 (welche einer Richtung tangential der gedachten Rotation der Spurstange um die durch die Kugelgelenke 12 und 13 definierte Rotationsachse entspricht). Hierzu greift die Pendelstütze 17 mit ihrem zeichnungsbezogen unteren Ende an der Spurstange 14 an, und ist an ihrem zeichnungsbezogen oberen Ende mittels eines Stützbeschlags 19 mit dem Querprofil 1 der Verbundlenkerachse verbunden.
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Durch die Pendelstütze 17 wird die Spurstange 14 somit bezüglich ihrer Rotation 18 um die durch die Kugelgelenke 12 und 13 definierte Rotationsachse kinematisch festgelegt, so dass die Spurstange wie vorgesehen lediglich noch die translatorischen Bewegungen 16 zur Ansteuerung des Lenkeinschlagwinkels der Radträger 8, 9 ausführen kann. Geringfügige durch die seitlichen Ausschläge der Pendelstütze 17 induzierte Bewegungen der Spurstange 14 entlang der Vertikal- bzw. Tangentialrichtung 18 können aufgrund der üblicherweise geringen Lenkeinschlagwinkel von gelenkten Hinterachsen vernachlässigt werden. Zudem kann deren Einfluss auf die Lenkeinschlagwinkel bei der geometrischen Auslegung der Radträger 6 berücksichtigt und somit weitgehend eliminiert werden.
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Der Aktuator 15 greift – ebenso wie die Pendelstütze 17 – mittig an der Spurstange 14 an, so dass auch diesbezüglich ein symmetrisches Lenkverhalten der Verbundlenkerachse sowohl bei beidseitigem als auch bei einseitigem Einfedern gewährleistet ist.
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Mit den strichlierten Linien 20, 21 sind die gedachten Momentanachsen der Einfederungsbewegung der Verbundlenkerachse angedeutet, wie sie sich beim jeweils einseitigen Einfedern der Längslenker 2, 3 mit den daran angeordneten Radträgern 8, 9 ergeben. So schwenkt beispielsweise der zeichnungsbezogen linke Längslenker 2 mit dem daran angeordneten Radträger 8 beim einseitigen Einfedern näherungsweise um die Momentanachse 20, während der zeichnungsbezogen rechte Längslenker 3 mit dem daran angeordneten Radträger 9 seinerseits beim einseitigen Einfedern näherungsweise um die Momentanachse 21 schwenkt. Einseitige Einfederungsbewegungen ähneln bei der dargestellten Verbundlenkerachse (bei der das Querprofil etwa in der Mitte der Längslenker 2, 3 angreift) somit der Einfederungsbewegung einer Schräglenkerachse, was bezüglich des Eigenlenkverhalten und des Spurwinkels beim einseitigen Einfedern vorteilhaft ist.
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Man erkennt, dass sich die beiden Momentanachsen 20, 21 bei der dargestellten Ausführungsform im Angriffspunkt der Pendelstütze 17 an der Spurstange 14 schneiden. Auf diese Weise werden die Einflüsse der Tordierung des Querprofils 1 der Verbundlenkerachse – beim einseitigen Einfedern – auf Lenkeinschlag und Spurdifferenzwinkel weiter minimiert, was ebenfalls zu einer sicheren und zuverlässigen Spurführung der Verbundlenkerachse beiträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Querprofil
- 2, 3
- Längslenker
- 4, 5
- Elastomerlager
- 6, 7
- Federteller
- 8, 9
- Radträger
- 10, 11
- Lenkachse
- 12, 13
- Spurstangen-Kugelgelenk
- 14
- Spurstange
- 15
- Aktuator
- 16
- Lenkbewegung
- 17
- Koppelanordnung, Pendelstütze
- 18
- Spurstangen-Rotationsbewegung, rotatorischer Freiheitsgrad
- 19
- Stützbeschlag
- 20, 21
- Momentanachse bei einseitiger Einfederung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008002639 A1 [0004]
