DE3710227A1 - Hinterrad-steuervorrichtung fuer ein vorder- und hinterrad-steuersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hinterrad-Steuervorrichtung für ein Vorder- und Hinterrad-Steuersystem eines Fahrzeuges, insbesondere eine Hinterrad-Steuervorrichtung jener Art, die die Manövrierbar­ keit des Fahrzeuges dann zu verbessern vermag, wenn die Hinter­ räder in entgegengesetzten Phasen gesteuert werden, in Bezug auf die Vorderräder.

Relevanter Stand der Technik findet sich in den US-Patentanmeldungen 822 000, 822 293, 821 998, 822 008, 822 010 und 822 043, basierend auf einer prioritätsbegründenden japanischen Anmeldung vom 24.01.1985. Diese Anmeldung betrifft eine Steuervorrichtung für Fahrzeuge, die es erlaubt, die Hinterräder entsprechend der Steuerung der Vorderräder je nach Fahrzeuggeschwindigkeit zu steuern. Bei diesen Vorrichtungen werden die Hinterräder ganz allgemein im selben Phasenverhältnis, oder in überhaupt keinem gesteuert, bei einem Hochgeschwindigkeitsbereich, während sie bei einem Bereich geringer Geschwindigkeit in entgegengesetztem Phasenverhältnis gesteuert werden. Das Steuerwinkelverhältnis ist beispielsweise eine kontinuierliche Funktion der Fahrzeug­ geschwindigkeit, wobei das Steuerwinkelverhältnis einen positiven Wert oder ein gleichphasiges Verhältnis dann annimmt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit einen bestimmten Wert übersteigt. Das Steuerwinkelverhältnis nimmt hingegen einen negativen Wert oder ein Gegenphasenverhältnis dann an, wenn die Fahrzeuggeschwindig­ keit unter diesen Wert absinkt, wobei das Verhalten des Fahrzeuges bei allen Geschwindigkeitsbereichen verbessert werden kann. Da die Hinterräder beispielsweise im Niedrig-Geschwindigkeits-Bereich im Gegenphasenverhältnis gesteuert werden, werden sowohl der Mindestwinkel des Schwenkens und die Differenz des inneren Radius zwischen den inneren und äußeren Rädern (das ist der Grad des Unterschiedes zwischen den Wegen der inneren und der äußeren Räder) drastisch verringert, und die Manövrierbarkeit des Fahrzeuges wird wesentlich verbessert, wenn das Fahrzeug beispielsweise in eine Garage oder durch enge verschlungene Wege gefahren wird oder eine Wende macht. Das dynamische Seitenansprechen des Fahrzeuges, beispielsweise beim Wechsel von einer Fahrspur auf die andere, wird im Hochgeschwindigkeitsbereich stark verbessert.

Bei der Vorrichtung gemäß US-PS 42 95 657 werden die Hinterräder im entgegengesetzten Phasenverhältnis dann gesteuert, wenn der Steuerwinkel klein ist, im selben Phasenverhältnis jedoch dann, wenn der Steuerwinkel groß ist. Dieser Aufbau vereinfacht den Steuermechanismus für die Hinterräder und erbringt gleichzeitig im wesentlichen dieselbe Wirkung, wie die zuvor erwähnten Vorder- und Hinterräder-Steuersysteme.

Ist ein Fahrzeug mit einem solchen Vorder- und Hinterräder-Steuer­ system ausgerüstet, und führt eine Wende bei großem Steuerwinkel und bei geringer Geschwindigkeit aus, so beeinträchtigt ein seit­ liches Wegrutschen der Räder die Steuerbarkeit des Fahrzeuges ganz erheblich. Es reicht dann nicht aus, die Hinterräder einfach in entgegengesetztem Phasenverhalten zu steuern, um die Fähigkeit des Fahrzeuges zum Wenden bei kleinem Wenderadius zu erhöhen.

Ganz allgemein ist es wünschenswert, daß die Mittelpunkte der Krümmungsradien der inneren Räder und der äußeren Räder miteinander zusammenfallen; die geometrische Beziehung der Steuerverbindungen, die diese Steuerwinkel für die inneren Räder und die äußeren Räder sicherstellt, ist als "Ackermann"-Geometrie bekannt und bei her­ kömmlichen Steuersystemen für Vorderräder weithin im Gebrauch.

Bei einer Vorder- und Hinterrad-Steuervorrichtung, die in der Lage ist, das Phasenverhältnis des Steuerwinkels der Hinterräder in Bezug auf den Steuerwinkel der Vorderräder bei unterschiedlichen Fahrzeuggeschwindigkeiten zu ändern, oder bei Änderung der Größe des eingegebenen Steuerwinkels ist es schwierig, die Mittelpunkte der Wenderadien aller vier Räder jederzeit miteinander zusammen fallen zu lassen. Insbesondere sind die Hinterräder-Steuervor­ richtungen von vierradgesteuerten Fahrzeugen bisher nicht mit der "Ackermann"-Geometrie ausgerüstet.

Im Hinblick auf die genannten Nachteile der vorbekannten Vorrichtung liegt der Erfindung vor allem die Aufgabe zugrunde, eine Hinterrad­ steuervorrichtung für ein Vorder- und Hinterrad-Steuerungssystem zu schaffen, bei welchem die Seitenrutschwinkel (side slip angles) der vier Räder minimiert und die Handhabbarkeit des Fahrzeuges verbessert wird, wenn die Hinterräder in entgegengesetztem Phasen­ verhältnis in Bezug auf die Vorderräder gesteuert werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hinterrad- Steuereinrichtung für ein Vorder- und Hinterrad-Steuerungssystem zu schaffen, das einfach und kostengünstig im Aufbau und leicht einzubauen ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Auf diese Weise ist es möglich, den Steuerwinkel des inneren Hinterrades größer als den Steuerwinkel des äußeren Hinterrades zu machen, und durch sauberes Auswählen der Geometrie der Ver­ bindungsglieder ist es auch möglich, die Mittelpunkte der Wende­ radien der Hinterräder wenigstens annähernd miteinander zusammen­ fallen zu lassen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Hinterräder in entgegengesetztem Phasenverhalten dann gesteuert, wenn der Steuerwinkel einen bestimmten Wert übersteigt, oder wenn die Ge­ schwindigkeit des Fahrzeuges einen gewissen Wert unterschreitet; im übrigen werden sie im selben Phasenverhältnis gesteuert, oder überhaupt nicht gesteuert.

Gemäß der oben beschriebenen Geometrie kann es vorkommen, daß die Zentren der Wenderadien der inneren und äußeren Räder nicht zu jedem Zeitpunkt genau miteinander zusammenfallen, sondern nur dann, wenn der Steuerwinkel der Hinterräder ganz klein oder die Fahrzeuggeschwindigkeit sehr hoch ist; deswegen sind die Schlupf­ winkel (slip angles) der Hinterräder nicht von größerer Bedeutung.

Bei der Verwirklichung der beschriebenen Geometrie können die Gelenkpunkte zwischen den Lenkern und den Verbindungsstangen entweder hinter oder vor den Schnittpunkten zwischen der Horizontalebene, die die genannten Gelenkpunkte enthält, und den Rotationsmittel­ linien der Lenker angeordnet werden, da diese relativ zum Fahr­ zeugkörper gesteuert werden.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Aufhängungs­ systemes und des Steuersystemes eines Fahrzeuges, dem eine Hinterrad-Steuervorrichtung gemäß der Erfindung zugeordnet ist.

Fig. 2 zeigt die Bahnen der vier Räder des Fahrzeuges beim Be­ schreiben einer Kurve.

Fig. 3 zeigt die Zuordnungen zwischen den Verbindungsgliedern, die bei einer Ausführungsform einer Hinterrad-Steuervor­ richtung gemäß der Erfindung vorgesehen sind.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungs­ form einer Hinterrad-Steuerungseinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt das Aufhängungssystem und das Steuersystem eines vorder- und hinterradgesteuerten Fahrzeuges, ausgerüstet mit einer Hinterrad-Steuervorrichtung gemäß der Erfindung. Eine Steuersäule 2 ist einerseits an das Steuerrad 1 des Fahrzeuges angeschlossen, andererseits an ihrem unteren Ende an ein Zahnstangengetriebe. Die beiden Enden der Zahnstange sind in der Zeichnung nicht dar­ gestellt. Sie sind an die inneren Enden von Verbindungsstangen 4 mittels Gelenkkupplungen angeschlossen. Die anderen Enden, näm­ lich die äußeren Enden der Verbindungsstangen 4 sind an Lenkhebel 5 des betreffenden Vorderrades angeschlossen. Die Lenkhebel 5 sind einteilig mit Lenkern 9, von denen sie abstehen und die die Vorderräder 8 tragen. Die Lenker 9 sind außerdem an ihren oberen und unteren Enden durch obere bzw. untere Arme 6, 7 getragen, deren jeder mit ihren anderen Enden gelenkig am Fahrzeugkörper angreift.

Eine Ritzelwelle 10 erstreckt sich von Getriebe 3 aus nach hinten, und das rückwärtige Ende der Ritzelwelle 10 ist mittels eines Kardangelenkes 11 an eine Verbindungswelle 12 angeschlossen, die sich auf der ganzen Länge zur Steuervorrichtung für die Hinter­ räder hin erstreckt. Ritzelwelle 10 ist mit einem hier nicht erkennbaren Ritzel ausgerüstet, das mit der Zahnstange des Ge­ triebes 3 kämmt, und mit einem gewissen Untersetzungsverhältnis dann angetrieben, wenn Steuersäule 1 verdreht wird.

Die Steuerrichtung für die Hinterräder 21 umfaßt eine Eingangs­ welle 14, die an das hintere Ende von Verbindungswelle 12 mittels eines Kardangelenkes angeschlossen und an der Fahrzeugkarrosserie mit einer Lagerkonsole 15 befestigt ist, die ihrerseits an einem hinteren Teil der Fahrzeugkarrosserie sitzt. Das hintere Ende der Eingangwelle 15, das nach hinten vorragt, ist an eine Kurbel 16 mit einem sich radial erstreckenden Arm 16 a angeschlossen. Das radial äußere Ende von Arm 16 a der Kurbel 16 ist an die inneren Enden eines Paares von Verbindungsstangen 17 mittels eines Kugel­ gelenkes angeschlossen. Die äußeren Enden der Verbindungsstangen 17 sind an die Lenkarme 18 der Lenker 22 für die hinteren Räder 21 angeschlossen. Die Lenker 22 sind von oberen Armen 19 und unteren Armen 20 getragen, und zwar jeweils an ihren oberen bzw. unteren Enden. Diese Arme 19 und 20 sind schwenkbar an die Fahr­ zeugkarrosserie an ihren inneren Enden in einer Weise angeschlossen, ähnlich den entsprechenden Teilen für die Vorderräder. Die unteren Arme 20 sind ferner in ihren Zwischenbereichen an Radiusstangen 23 angeschlossen, damit diesen unteren Armen 20 gegenüber Reaktions­ kräften, die von der Straße auf die Hinterräder 21 übertragen werden, zusätzliche Steifigkeit verliehen wird.

Die Lenker 9 und 22 sind durch Aufhängungssysteme 24 getragen, deren jedes eine Schraubenfeder sowie einen Öldämpfer umfaßt. Beim Verdrehen der Steuersäule 1 werden die Vorderräder durch die Steuerkräfte verdreht, die durch den Mechanismus von Getriebe 3 und Verbindungsstangen 4 der Vorderräder 8 übertragen werden. Gleichzeitig wird das Steuermoment der Steuersäule 1 auf Ritzel­ welle 10 und weiter auf Verbindungswelle 12 und Eingangswelle 14 übertragen. Kurbel 16 wird beim Umlauf von Eingangswelle 14 verdreht und die Hinterräder 21 werden durch die Verbindungsstäbe 17 gesteuert.

Gemäß dieser Ausführungsform ist Kurbel 16 an Eingangswelle 14 derart befestigt, daß Arm 16 a dann senkrecht nach unten hängt, wenn sich die Vorderräder 8 in ihrer neutralen Position befinden. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich auch die Hinterräder 21 in ihrer neutralen Position. Ist der Steuerwinkel klein und die Bewegung von Arm 16 a der Kurbel 16 auf den Bereich unterhalb der horizontalen Ebene begrenzt, die die Axiallinie der Eingangswelle enthält, so werden demgemäß die Hinterräder 21 im selben Phasenverhältnis gesteuert wie die Vorderräder 8. Ist jedoch der Steuerwinkel groß und wird Kurbelarm 16 a oberhalb der Horizontalebene verschwenkt, so werden die Hinterräder 21 in einem entgegengesetzten Phasenver­ hältnis in Bezug auf die Vorderräder 8 gesteuert.

Bei diesem Aufbau läßt sich der Verdrehwinkel der Kurbel 16 in Bezug auf den Steuerwinkel der Steuersäule 1 frei wählen, beispiels­ weise durch Verändern des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 3, und zwar durch Verändern der Länge des Kurbelarmes 16 a, oder durch Einbau einer Untersetzungseinrichtung an irgendeinem geeig­ neten Ort auf dem Wege der Übertragung des Steuermomentes von der Steuersäule 1 zu den Hinterrädern 21; somit läßt sich ein gewünschtes Steuerwinkelverhältnis zwischen den Vorder- und Hinter­ rädern leicht und frei herstellen.

Der Seitenschlupf (side slip) der Hinterräder 21 beim Steuern der Vorderräder im Gegenphasenverhältnis in Bezug auf die Vorder­ räder läßt sich dann aufheben, wenn die Zentren der Bänderradien aller Räder bei Punkt A miteinander zusammenfallen (Fig. 2). Zu diesem Zweck ist es notwendig, das Verhältnis zwischen Steuerwinkel Al des inneren Rades und Steuerwinkel A 2 des Außenrades zu er­ mitteln, so daß A 1 < A 2 sowohl für das Vorderradpaar als auch das Hinterradpaar wird.

Fig. 3 zeigt das Verhältnis der Verbindungsglieder, so wie bei der Hinterrad-Steuervorrichtung gemäß dieser Ausführung gegeben.

Die Linien L 1 und L 2, entstanden durch Verbindung der Gelenkpunkte B 1 und B 2 zwischen den Verbindungsstangen 17 und den Lenkerarmen 18 bis zu den entsprechenden Punkten C 1 und C 2 der Schnittstellen zwischen einer Horizontalebene, die die Gelenkpunkte B 1 und B 2 und die Rotationsmittellinien der Lenker 22 oder Hinterräder 21 bei deren Steuerung relativ zu einer Fahrzeugkarrosserie, schneiden einander an einem Punkt D, der sich auf der Mittellinie L 3 des Fahrzeuges befindet, die sich ihrerseits parallel zur Längsachse des Fahrzeuges vor der Axiallinie E der Hinterradachse erstreckt.

Der Drehwinkel des Lenkerarms 18 des inneren Rades relativ zur Verschiebung delta 1 der Verbindungsstangen 17 beim Steuern der Hinterräder zwecks Erreichens der durch gestrichelte Linien ange­ deuteten Position läßt sich daher größer bemessen als jener der Außenräder. Aufgrund dessen lassen sich die Kurvenbahnen gemäß Fig. 2 verwirklichen. Diese Tendenz wird noch gesteigert, umsomehr Punkt D im vorderen Bereich des Fahrzeugs wandert; sie wird ver­ ringert beim Wandern von Punkt D auf die Linie E hin. Eine Begrenzung ist insoweit gegeben, als sich Punkt D zur Linie E hin bewegen kann, wenn die Verbindungsstangen 17 ihre Fähigkeit verlieren, die Hinterräder 21 und einen praktischen Winkel anzusteuern, wenn sich Punkt D zu nahe an die Linie E heranbewegt.

Wie man aus einfachen geometrischen Überlegungen leicht erkennt, können die Punkte B 1 und B 2 als Alternative auf Linie L 1 und L 2 zwischen Punkt D und den Punkten C 1 bzw. C 2 angeordnet werden.

Gemäß der Erfindung werden die Seitenschlupfwinkel (side slip angles) der Hinterräder somit auf ganz einfache Weise wirkungs­ voll vermindert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die Schlupfwinkel der Hinterräder bei großen Steuerwinkeln nicht in Erwägung gezogen, sie können durchaus groß sein. Das Problem des Unterschiedes zwischen den Zentren der Wenderadien zwischen innerem Rad und äußerem Rad tritt jedoch dann auf, wenn der Steuer­ winkel groß ist. In diesem Falle können erhebliche Schwierigkeiten bezüglich der Manövrierbarkeit des Fahrzeuges auftreten, da die Reifen der Hinterräder seitlich entgegen dem Reibwiderstand weg­ rutschen, den sie auf der Straßenoberfläche finden. Ist der Steuer­ winkel klein, so ist andererseits der Seitenschlupf der Hinter­ räder nicht kritisch, da er dann nur einen Bruchteil des vorherigen annimmt. Ein solch kleiner Schlupfwinkel läßt sich durch einen gewissen Seitenschlupf der Reifen der Hinterräder problemlos auffangen.

Claims (5)

1. Hinterrad-Steuervorrichtung für ein Vorder- und Hinterrad- Steuersystem eines Radfahrzeuges, wobei die Hinterräder durch Verschieben von Verbindungsstangen gesteuert werden, die an Lenker der Hinterräder angeschlossen und in seitlicher Richtung des Fahrzeuges angeordnet sind, in einem entgegengesetzten Phasenverhältnis relativ zu den Vorderrädern zumindest bei einem gewissen Zustand, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
ein Paar imaginärer Linien, gebildet durch Verbinden von Gelenk­ punkten zwischen den Lenkerarmen und den Zugstangen mit ent­ sprechenden Schnittpunkten zwischen einer Horizontalebene, enthaltend die genannten Gelenkpunkte und die Rotationsmittel­ linien der Lenker bei deren Steuerung, relativ zu dem Fahrzeug­ körper, schneiden einander an einem Punkt, der vor einer Mittel­ linie der Hinterradachse liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterräder in entgegengesetztem Phasenverhältnis dann gesteuert werden, wenn der Steuerwinkel einen gewissen Wert übersteigt, sonst aber im selben Phasenverhältnis oder überhaupt nicht gesteuert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterräder im entgegengesetzten Phasenverhältnis dann gesteuert werden, wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeuges einen bestimmten Wert unterschreitet, sonst aber im selben Phasenverhältnis oder überhaupt nicht gesteuert werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gelenkpunkte zwischen den Lenkerarmen und den Verbindungsstäben hinter den Schnittpunkten zwischen der Horizontalebene; die die Gelenkpunkte enthält, und den Rotations­ mittellinien der Lenker relativ zum Fahrzeugkörper angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gelenkpunkte zwischen den Lenkern und den Verbindungsstäben vor den Schnittpunkten zwischen der Horizontal­ ebene, die die Schnittpunkte und die Rotationsmittellinien der Lenker relativ zum Fahrzeugkörper enthält, angeordnet sind.