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Personenkraftwaoen
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Die Erfindung bezieht sich auf Personenkraftwagen mit einer Lenkeinrichtung
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
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Personenkraftwagen konventioneller Art sind frontgelenkt, d. h. Drehbewegungen
des Lenkrades werden über ein Lenkgetriebe und ein Lenkgestänge in entsprechende
Lenkbewegungen der Vorderräder umgesetzt; die Ausrichtung der Hinterräder wird durch
diese Lenkraddrehungen dagegen unmittelbar nicht geändert.
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Das Fahrverhalten eines Personenkraftwagens wird von verschiedenen
Eigenschaften bestimmt; z. B. von seinem Verhalten bei stationärer Kurvenfahrt,
welches durch den sogenannten stationären Gierverstärkungsfaktor V beschrieben werden
kann, von der Größe des sich bei Kurvenfahrt einstellenden Schwimmwinkels ß , d.
h. des Winkels zwischen der Fahrzeuglängsachse und der Bewegungsrichtu1g des Fahrzeugs
im Schwerpunkt, von der Schnelligkeit, mit der er tiuf Lenkradeinschläge (Lenkwinkelsprünge)
reagiert, was durch die sogenannte Gierreaktionszeit oder Peak-Response Time charakterisiert
wird, sowie von seinem Stabilitätsverhalten, d. h.
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von seiner Fähigkeit, bei Geradeausfahrt auftretende Störfaktoren
(Seitenkräfte) auszugleichen.
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Der stationäre Gierverstärkungsfaktor Vy gibt das Verhältnis der Giergeschwindigkeit
ç zum Lenkradutinkel 6 LK (Lenkradeinschlag) bei stationärer Kurvenfahrt an, d.
h. wenn eine Kreisbahn (konstanter Radius) mit konstanter Fahrgeschwindigkeit durchfahren
wird. Er macht letztlich eine Aussage darüber, wie stark das Lenkrad beim Durchfahren
der
Kreisbahn eingeschlagen werden muß. Von durchschnittlichen Fahrzeuglenkern werden
hierbei Gierverstärkungsfaktoren zwischen etwa 0,2 bis 0,25 l/s bei 100 km/h als
angenehm und gut empfunden, wobei der Lenkradwinkel generell nicht zu groß sein
soll, um den Lenkaufwand in Grenzen zu halten.
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Für den Schwimmwinkel ß werden im allgemeinen Werte als angenehm empfunden,
die bei Querbeschleunigungen zwischen etwa 0,3 bis 0,5 g in der Größen~ ordnung
bis 20 liegen.
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Die Peak-Response-Time bzw. Gierreaktionszeit sollte möglichst klein
sein. Sie ist die Zeit, die bei einem plötzlichen Lenkradeinschlag (Lenkwinkelsprung)
vergeht, bis die Giergeschwindigkeit ç ihren Maximalwert erreicht hat (gerechnet
von dem Zeitpunkt, zu dem der Lenkwinkelsprung seinen halben Wert erreicht hat).
Sie liegt bei konventionellen Fahrzeugen etwa in der Größenordnung von 0,30 bis
0,5 Sekunden.
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Es sind in der Vergangenheit große Anstrengungen unternommen worden
und es sind viele Uberlegungen angestellt worden, das dynamische Verhalten von Personenkraftwagen,
d. h. ihre Schnelligkeit, mit der sie auf Lenkradeinschläge reagieren sowie ihr
Stabilitätsverhalten, zu verbessern.
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So sind beispielsweise Anordnungen bekannt, bei denen Drehbewegungen
des Lenkrades nicht nur Lenkbewegungen der Vorderräder, sondern auch Lenkbewegungen
der Hinterräder hervorrufen, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen der Hinterradauslenkung
und der Vorderradauslenkung variabel ist.
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Bei einer bekannten Anordnung (DE-OS 31 33 985) wird das Ubersetzungsverhältnis
zwischen der Hinterradauslenkung und der Vorderradauslenkung durch Veränderung der
Größe der Hinterradauslenkung in Abhängigkeit vbn verschiedenen Betriebsparametern,
wie der Fahrgeschwindigkeit, der Seitenbeschleunigung bzw. dem Gieren verändert.
Zu diesem Zweck ist ein elektronischer Rechner vorgesehen, der aufgrund ihm zugeführter
Sensorsignale etc. einen auf das Lenkgestänge der Hinterräder einwirkenden Elektromotor
entsprechend einem vorgegebenen Programm aussteuert.
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Hierbei wird nicht nur die Größe, sondern auch die Richtung der Hinterradauslenkung
- relativ zur Vorderradauslenkung - verändert. Insbesondere werden die Hinterräder
bei Lenkradeinschlägen bei niedriger Fahrgeschwin digkeit, wie sie z. B. beim Abbiegen
üblich ist, in die entgegengesetzte Richtung wie die Vorderräder (Mitlenken) und
bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, wie sie insbesondere bei Geradeausfahrt üblich
sind, in die gleiche Richtung wie die Vorderräder (Gegenlenken) ausgelenkt. Der
konstruktive und regelungstechnische Aufwand für diese bekannte Anordnung ist sehr
hoch.
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Weitere hierzu sehr ähnliche Anordnungen sind u. a. bekannt aus den
deutschen Offenlegungsschriften 29 52 565, 31 24 821 und 31 45 618.
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All diesen bekannten Anordnungen ist gemein, daß die Hinterräder mittels
insbesonderer elektronischer Steuereinrichtungen bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten
entgegengesetzt und bei höheren Fahrgeschwindigkeiten in die gleiche Richtung wie
die Vorderräder ausgelenkt werden, der regelungstechnische und konstruktive Aufwand
hierfür ist groß.
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Bekannt sind auch Anordnungen (z. B. DE-OS 29 52 566, 31 21 196 oder
32 30 036), bei denen bei Lenkradauslenkungen die Hinterräder ebenfalls ausgelenkt
werden und zwar über ein mechanisches Gestänge o. ä., welches so ausgebildet ist,
daß die Hinterräder bei kleinen Lenkradausschlägen in die gleiche Richtung wie die
Vorderräder (Gegenlenken) ausgelenkt werden, große Lenkraddrehungen dagegen eine
Auslenkung der Hinterräder entgegengesetzt zu den Vorderrädern (Mitlenken) oder
gar keine Auslenkung bewirken. Da im allgemeinen einerseits bei höheren Fahrgeschwindigkeiten
nur kleinere Lenkraddrehungen durchgeführt werden und andererseits größere Lenkraddrehungen
vorwiegend bei niedrigeren Fahrgeschwindig keiten stattfinden, ist bei diesen bekannten
Anordnungen indirekt natürlich ebenfalls eine fahrgeschwindigkeitsabhängige Variation
des Übersetzungsver hältnisses zwischen der Hinterrad- und Vorderradauslenkung gegeben.
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Der mechanisch-konstruktive Aufwand für Anordnungen dieser Art ist
beträchtlich; um die gewünschte Abhängigkeit zu erhalten, werden entweder besondere
Nockenplatten mit darin eingelassenen geschwungenen Nockenbahnen, besondere Kurbelmechanismen
mit Kurbelscheiblen und Kurbelstangen sowie sonstige Gestänge- und Zapfen/Führungsschlitz-Anordnungen
vorgesehen.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung (EP-OS 89 631) mit gelenkten
Vorder- und Hinterrädern werden die Hinterräder generell in die gleiche Richtung
ausgelenkt (Gegenlenken) wie die Vorderräder. Um das damit verbundene Trägerwerden
des Fahrzeuges (Verlangsamung der Reaktion auf Lenkradeinschläge, d. h. Lenkwinkelsprünge)
zu mildern, sind besondere Verzögerungsglieder vorgesehen, die dafür sorgen, daß
die Hinterräder bei Lenkradeinschlägen im Vergleich zu den Vorderrädern stets zeitverzögert
ausgelenkt werden. Bei rein hydraulischen Lenkanordnungen sind zu diesem Zweck in
den zur Hinterradlenkung führenden hydraulischen Leitungen nicht steuerbare oder
auch fahrgeschwindigkeitsabhängig steuerbare Drosseln angeordnet. Bei elektro-hydraulischen
Hinterradlenkungen sind dagegen elektronische Verzögerungsglieder vorgesehen, welche
von der Vorderradlenkung abgenommene Steuersignale verzögert an eine elektronische
Steuereinheit zur Aussteuerung der hydraulischen Hinterradlenkung weiterleiten.
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Auch bei dieser bekannten Anordnung ist der konstruktive und steuerungs/
regelungstechnische Aufwand sehr hoch. Außerdem erscheint das Fahrverhalten fragwürdig.
Der stationäre Gierverstärkungsfaktor V ç ist zweifelsfrei kleiner als bei herkömmlichen
Fahrzeugen mit reiner Frontlenkung. Auch die Schnelligkeit, mit der auf Lenkradeinschläge
(Lenkwinkelsprünge) reagiert wird, verschlechtert sich im Vergleich zu konventionellen
Fahrzeugen.
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Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ohne Einsatz
aufwendiger, komplizierter oder platzraubender mechanisch-konstruktiver oder steuerungs-
bzw. regelungstechnischer Maßnahmen einen Personenkrafte wagen zu schaffen, der
im Vergleich zu herkömmlichen, rein frontgelenkten Fahrzeugen mindestens gleich
gute Eigenschaften bei stationärer Fahrt und ein wesentlich besseres Verhalten bei
dynamischen Vorgängen aufweist, d. h. insbbsondere schnellere Reaktionen auf Lenkwinkelsprünge
zeigt und ein besseres Stabilitätsverhalten besitzt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs l gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
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Zum einen werden also die Hinterräder durch Vorgabe eines Vorlaufs
(-nH) derart elasto-kinematisch am Fahrzeugaufbau angelenkt, daß sie selbsttätig
untersteuernd wirkende eingeprägte Lenkeffekte (Gegenlenken) aufweisen, und zum
anderen werden Lenkraddrehungen durch mechanische oder gleichwirkende Ubertragungsmittel
unmittelbar in zu den Lenkausschlägen der Vorderräder entgegengesetzte Lenkausschläge
(Mitlenken) der Hinterräder umgesetzt, wobei das Übersetzungsverhältnis zwischen
den Lenkeinschlägen der Hinterräder und der Vorderräder konstant bleibt.
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In dieser Weise ausgestaltete Personenkraftwagen können in einfacher
Weise so bemessen werden, daß sie einerseits ein von konventionellen Fahrzeugen
her gewohntes ausgezeichnetes Verhalten bei stationärer Kreisfahrt besitzen, d.
h. Gierverstärkungsfaktoren V von etwa 0,2 bis 0,25 l/s bei 100 km/h und Schwimmwinkel
von 10 bis 20 bei Querbeschleunigungen von 0,3 bis 0,5 g, und andererseits ein spürbar
besseres Verhalten bei dynamischen Vorgängen besitzen, d. h. vergleichsweise geringe
Gierreaktionszeiten von z. B. 0,2 bis 0,3 s und ein sehr gutes Ståbilitätsverhalten.
Als wesentlicher Vorzug ist anzusehen, daß diese vorteilhaften Eigenschaften mit
bewährten konventionellen und störunanfälligen Mitteln erzielt werden, komplizierte
variable Übertragungselemente oder elektronische Steuer- und Rechneranordnungen
dagegen nicht benötigt werden.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Die einzige Zeichnung zeigt in schematisierter und prinzipieller Darstellung
die Draufsicht eines Personenkraftwagens, wobei lediglich die für das Verständnis
der Erfindung notwendigen Einzelteile dargestellt und beziffert sind. Grundsätzlich
kann es sich hierbei um ein frontgetriebes, eilFheckgetriebenes oder auch um ein
allradgetriebenes Fa:lrzeug handelt Die mit 1 bezifferten Vorderräder des Fahrzeuges
sind in üblicher Weise als lenkbare Räder ausgebildet, d. h. sie sind an den nicht
weiter dargestellten Rad iuhrungsgliedern um eine gegen die Vertikale leicht geneigte
Achse schwenkbar angelenkt und stehen über ein Lenkgestänge 8, z. B. eine Zahnstange,
mit dem vom Fahrzeuglenker zu betätigenden
Lenkrad 7 in Verbindung.
In üblicher Weise wird somit eine Lenkraddrehung um den Lenkradwinkel 6 bk in eine
entsprechende Lenkbewegung der Vorder-LK räder 1 umgesetzt. Der Vorderradlenkwinkel
ist hierbei mit 6 V beziffert.
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Die Hinterräder sind im Ausführungsbeispiel über eine Verbund- oder
Koppellenkerachse 4 schwenkbar am Fahrzeugaufbau 3 angelenkt, wobei die beiden Längslenker
mit 41 und die diese im Bereich der aufbauseitigen Lager miteinander verbindende
tordierbare Querstrebe mit 42 beziffert sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf
diese Art der Hinterradaufhängung beschränkt. Grundsätzlich können auch andere bekannte
Radführungsglieder, z. B. Schräglenker, Doppelquerlenker oder Federbeine, eingesetzt
werden; es ist natürlich auch möglich, die Hinterachse als Starrachse auszuführen.
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Um die Hinterräder 2 mit einem untersteuernd wirkenden eingeprägten
Lenkeffekt zu versehen, ist die hintere Radaufhängung derart elasto-kinematisch
ausgeführt, daß die Hinterräder unter der Einwirkung von an ihnen angreifenden Seitenkräften
S selbsttätig einem Radeinschlag in Richtung Untersteuern (Gegenlenken) unterworfen
sind. Hierzu sind die Achsschenkel bzw. Radträger 5 in an sich bekannter Weise (z.
B. DE-OS 21 58 931, DE-OS 32 05 783) unter Verwendung elastischer Elemente und Vorgabe
eines Vorlaufs -nH (negativer Nachlauf) derart am Radführungs glied, d. h. am Längslenker
41, angelenkt, daß die - ggf. nur fiktive -Lenkachse der elastischen Hinterradbewegung
die Fahrbahn hinter der senkrechten Radmittenquerebene durchdringt, der Seitenkraftangriff
also vor dem Momentandrehpol des Rades bzw. der Achse erfolgt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Art der Radaufhängung durch
eine - in der Draufsicht - im Abstand -nH hinter der Radachse liegende scharnierartige
Gelenkstelle 51 zwischen Radträger 5 und Längslenker 41 sowie durch ein zwischen
Radträger und Längslenker wirksames elastisches Element 6 symbolisiert. In der Praxis
muß die gewünschte elastische bzww verdrehweiche Ausbildung der Hinterradaufhängung
nicht durch Verwendung eines mechanischen Gelenkscharniers realisiert werden. Entscheidend
ist, daß die - bezüglich Seitenkraftangriff - Verdrehsteifigkeit der Hinterachse
erheblich geringer, d. h. wesentlich weicher als bei konventionellen Hinterachsen
bemessen wird, der sogenannte Achsseitenkraft-Schräglaufwinkel-Koeffizient C*H also
größer als bei konventionellen Fahrzeugen gemacht wird.
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Für diesen Achsseitenkraft-Schräglaufwinkel-Noeffizienten gilt
Darin bedeuten CH den Reifenseitenkraft-Schräglaufwinkel-Koeffizienten der Hinterräder,
LH die Verdrehsteifigkeit der Hinterachse und nH den Gesamtnachlauf an der Hinterachse.
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Bei Vorlauf (nH wird negativ) erscheint im Nenner dieser Gleichung
somit ein Minuszeichen.
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Daneben sind die Hinterräder 2 auch wie die Vorderräder 1 mit einer
mit dem Lenkrad 7 in Verbindung stehenden Lenkeinrichtung versehen.
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Wie die Vorderräder sind also auch sie um eine vertikale oder gegen
die Vertikale etwas geneigte Achse lenkbar an ihren Radführungsgliedern angelenkt
und mit Spurhebeln versehen, die an einem Lenkgestänge, z. B.
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einer Zahnstange 9 angreifen. Die unmittelbare Übertragung der Drehbewegungen
des Lenkrades 7 auf das hintere Lenkgestänge 9 kann mittels bekannter mechanischer
Übertragungsglieder erfolgen; deren Ausbildung im einzelnen von der Art der verwendeten
Vorderachs- sowie Hinterachslenkung abhängt. In der Zeichnung ist ein solches mechanisches
Übertragungsglied gestrichelt angedeutet und mit 10 beziffert. Das mechanische Übertragungsglied
10 und das hintere Lenkgestänge 9 sind derart ausgebilidet und angeordnet, daß Drehbewegungen
des Lenkrades 7 zu Lenkbewegungen der Hinterräder 2 führen, die entgegengesetzt
(Mitlenken) zu den Lenkbewegungen der Vorderräder 1 gerichtet sind. Bei einer angenommenen
Lenkraddrehung um den Lenkradwinkel 6 LK in Pfeilrichtung werden die Hinterräder
2 also in Richtung des ausgezogenen Pfeils um C'en Hinterradlenkwinkel - 6 H ausgelenkt,
der zum Vorderradlenkwinkel 6 V entgegengerilhtet ist.
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Insbesondere in den Fällen, in denen eine hydraulische Servorlenkung
vorliegt, ein Hydraulikkreis also sowieso bereits vorhanden ist, ist es u. U. jedoch
von Vorteil, auch die hintere Lenkeinrichtung hydraulisch
zu betätigen
und insbesondere auch die Übertragungseinrichtung zur Hinterachse als Hydraulikleitung
auszubilden.
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Das Übersetzunqsverhältnis zwischen dem Hinterradlenkwinkel -#H und
dem Vorderradlenkwinkel #V, d. h. das Verhältnis
ist nicht variabel, sondern konstant. Es wird also weder in Abhängigkeit von der
Größe des Lenkradeinschlages 6 LK noch in Abhängigkeit von der Höhe der Fahrgeschwindigkeit
verändert. Vorzugsweise wird dieses Verhältnis so gewählt, daß es etwa in der Größenordnung
zwischen -0,2 und -0,4 liegt.
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Für den Vorlauf -nH der Hinterachse wird ein Wert gewählt, der vorzugsweise
in einem Bereich zwischen etwa -0,05 m und -0,1 m liegt.
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Beim Durchfahren einer Linkskurve, wenn also das Lenkrad 7 wie gezeigt
nach links um den Lenkradwinkel ö bk eingeschlagen wird, werden die LK Vorderräder
1 über das Lenkgestänge 8 um den Vorderrad-Lenkwinkel 6 V links eingeschlagen. Die
Hinterräder 2 werden dagegen über das V mechanische Obertragungsglied 10 und das
hintere Lenkgestänge 9 unmittelbar um den Hinterrad-Lenkwinkel - 6 H nach rechts
eingeschlagen. Dieser H vom Lenkrad 7 unmittelbar bewirkten Lenkbewegung der Hinterräder
in Richtung Übersteuern (Mitlenken) überlagert sich aufgrund der vorgesehenen elasto-kinematischen
Anlenkung der Hinterräder unter der Einwirkung der bei Kurvenfahrt an den Rädern
angreifenden Seitenkraft S ein dazu entgegengerichteter Radeinschlag in Richtung
Untersteuern (Gegenlenken), was durch einen strichlierten Pfeil angedeutet ist.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird es unter Berücksichtigung
der allaemeinen Fahrzeundaten durch qeeianete Bemessunq des Hinterachs-Vorlaufs
-nH sowie des Verhältnisses
zwischen dem Hinterradlenkwinkel und dem Vorderradlenkwinkel in einfacher Weise
möglich, das Fahrverhalten des Fahrzeuges so festzulegen, daß es einerseits bei
dynamischen Vorgängen bessere und andererseits bei stationären Vorgängen mindestens
gleich gute Eigenschaften wie konventionelle Fahrzeuge besitzt. Es ist also möglich,
ohne Verschlechterung der stationären Gierverstärkung Vgu bzw. w / LK und ohne Verschlechterung
(Vergrößerung) des Schwimmwinkels ß das Stabilitätsverhalten, d. h. die
Fähigkeit
des Fahrzeugs, Störungen bei Geradeausfahrt (Seitenkräfte) auszugleichen, zu verbessern
und insbesondere die Schnelligkeit (Ansprechverhalten), mit der auf Lenkradeinschläge
(Lenkwinkelsprünge) reagiert wird, zu vergrößern, d. h. die sogenannte Gierreaktionszeit
(Peak-Response-Time) zu verringern.
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Im übrigen wird durch die vorgeschlagene Ausbildung der Hinterradaufhängung
auch der Wendekreis des Fahrzeugs - im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen -
verringert.