DE3903143C2 - Vorderradaufhängung für Kraftfahrzeuge mit Frontmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorderradaufhängung für Kraft­ fahrzeuge mit Frontmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentans­ pruchs 1.

Vorderradaufhängung dieser Art wird in der von der Nis­ san Motor Company Limited im Oktober 1983 veröffentlichten Druckschrift "Service Periodical No. 491 III" auf Seite 22 beschrieben. Diese Vorderradaufhängung wird bei Fahrzeugen mit Dieselmotor eingesetzt.

Bei Fahrzeugen mit Frontmotor, insbesondere bei Diesel-Fahr­ zeugen, besteht das Problem, daß es im Leerlauf des Motors häufig zu einer ungleichmäßigen Verbrennung und damit zu Drehmomentschwankungen kommt, so daß Erschütterungen über die Motoraufhängung auf den Fahrzeugaufbau übertragen werden und diesen zu Schwingungen um seine Rollachse anregen. Bei ungün­ stiger Leerlaufdrehzahl des Motors kommt es dabei zur Reso­ nanz, so daß die Roll-Schwingungen des Fahrzeugaufbaus eine unangenehm hohe Amplitude erreichen.

Zur näheren Erläuterung dieses Problems soll bereits hier auf Fig. 4 bis 10 der Zeichnung Bezug genommen werden.

Fig. 4 zeigt eine herkömmliche Vorderradaufhängung der oben genannten Art mit einem ein Federbein bildenden Stoßdämpfer 1. Der Stoßdämpfer 1 weist ein zylindrisches Außenrohr 2 auf, dessen unteres Ende mit einem nicht gezeigten Radträger ver­ bunden ist, und eine Kolbenstange 3 ist teleskopisch in dem Außenrohr 2 aufgenommen und ragt nach oben aus diesem heraus. Die Kolbenstange 3 des Stoßdämpfers 1 ist mit ihrem oberen Ende fest in einen Innenring 4a eines Kugellagers 4 einge­ paßt, dessen Außenring 4b fest in eine innere Hülse 5a eines schwingungsdämpfenden Lagers 5 eingepaßt ist. Das schwin­ gungsdämpfende Lager 5 weist außer der inneren Hülse 5a eine äußere Hülse 5b, die über eine Halterung 6 fest mit dem Fahr­ zeugaufbau verbunden ist, und einen zwischen der inneren und der äußeren Hülse eingefügten elastischen Körper 5c auf. Der elastische Körper 5c ist Scherspannungen ausgesetzt und un­ terliegt einer Scherungsverformung, wenn während der Fahrt des Fahrzeugs Erschüttungen oder Stöße auf die inneren und äußeren Hülsen 5a, 5b einwirken. Eine Feder 7 ist zwischen dem Außenrohr 2 und dem Lager 5 angeordnet.

Bei dieser herkömmlichen Vorderradaufhängung treten aufgrund der nachfolgend erläuterten Zusammenhänge relativ heftige Schwingungen oder Erschüttungen des Fahrzeugs infolge un­ gleichmäßiger Verbrennung im Leerlaufzustand des Motors auf.

Da bei einem Dieselmotor der Verbrennungsdruck in jedem ein­ zelnen Zylinder in Abhängigkeit von der Ansaugluftmenge und der Menge an eingespritztem Kraftstoff variiert, treten zwi­ schen den Zylindern Unterschiede in dem Effektivdruck auf, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Dies führt zu periodischen Dreh­ momentschwankungen des Motors mit einer Periode von zwei Kur­ belwellenumdrehungen. Die Grundschwingung der durch diese Drehmomentschwankungen hervorgerufenen Erschütterung des Mo­ tors ist somit die erste Subharmonische der Motordrehzahl, d. h., die Grundfrequenz dieser Erschüttungen entspricht der halben Motordrehzahl. Wie in Fig. 7 veranschaulicht ist, werden diese Erschüttungen des Motors E in Form eines Drehmo­ ments T um die Rollachse des Fahrzeugs über eine Motoraufhän­ gung K_M auf den Fahrzeugaufbau B übertragen, so daß der Fahr­ zeugaufbau B in Schwingungen um seine Rollachse, also in der Richtung R in Fig. 7 versetzt wird. Die Grundfrequenz dieser Motorvibrationen liegt im Bereich 5 bis 6 Hz, wenn die Motor­ drehzahl im Leerlauf zwischen 600 und 720 min^-1 liegt. Bei kleinen Schwingungen im Bereich von 5 bis 10 Hz wird die Kol­ benstange des Stoßdämpfers 1 im Außenrohr festgehalten, so daß sich der Stoßdämpfer im wesentlichen starr verhält. Bei der herkömmlichen Vorderradaufhängung wird deshalb unter den obengenannten Bedingungen die Federkaft, die die Eigenfrequenz der Schwingungen des Fahrzeugaufbaus um seine Rollachse beeinflußt, durch die Beziehung zwischen der Federkonstanten K₁ des schwin­ gungsdämpfenden Lagers 5 und der vertikalen Federkonstanten K₃ des Reifens des Rades bestimmt, und da K₃ wesentlich kleiner ist als K₁, wird die Gesamt-Federkonstante annähernd durch K₃ gegeben. Die durch diese Federkonstante bestimmte Resonanzfrequenz des Fahrzeu­ gaufbaus B stimmt mit der Anregungsfrequenz, d. h., mit der Grund­ frequenz der Motorvibration überein (vgl.: Fig. 9 und 10). Aus diesem Grund wird der Fahrzeugaufbau im Leerlaufzustand des Motors in heftige Schwingungen oder Erschütterungen versetzt.

Aus GB 2 158 549 A ist eine Vorderradaufhängung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der die Tragfeder des Federbeins direkt an der äu­ ßeren Hülse des schwingungsdämpfenden Lagers angreift. Zwischen der äu­ ßeren Hülse und der mit der Kolbenstange des Stopdämpfers verbundenen inneren Hülse ist ein gummielastisches Element eingefügt, das bei kleinen Auslenkungen der Kolbenstange auf Scherung beansprucht wird und sich so­ mit relativ weich verhält. Da das gummielastische Element parallel zu der Tragfeder wirkt, ist es deshalb bei kleinen Schwingungsamplituden prakisch nicht an der Schwingungsdämpfung beteiligt. Nur bei Schwingungen mit gro­ ßer Amplitude ist die Verformbarkeit des elasischen Körpers eingeschränkt, so daß ein Beitrag zur Schwingungsdämpfung geleistet wird.

Bei dieser Bauweise ist es schwierig, den elasischen Körper so auszulegen, daß einerseits eine optimale Federkonstante im Hinblick auf die Dämpfung von Schwingungen mit großer Amplitude und andererseits eine optimale Fe­ derkonstante im Hinblick auf die Dämpfung von Schwingungen mit kleiner Amplitude erreicht wird.

Aus EP 105 232 A1 ist eine Vorderradaufhängung bekannt, bei der die Kol­ benstange ebenfalls mit begrenztem Spiel in Axialrichtung in dem schwin­ gungsdämpfenden Lager beweglich ist. Das mit dem Fahrzeugaufbau verbun­ dene Lager stützt sich hier über eine Tellerfeder auf einem Federteller für die den Stoßdämpfer umgebende Tragfeder ab. Unter der statischen Last des Fahrzeugaufbaus nimmt die Tellerfeder eine an­ nähernd flache Form an, und der Federteller liegt auf einer an der Kolbenstange des Stoßdämpfers gehaltenen Staubschutzkappe auf. Auf diese Weise wird die Bewegung der Kolbenstange nach oben in Bezug auf das schwingungsdämpfende Lager begrenzt. In der entgegengesetz­ ten Richtung wird die Bewegung der Kolbenstange durch eine oberhalb des Lagers an der Kolbenstange befestigte Scheibe begrenzt. Diese Anordnung hat den Zweck, hochfrequente Fahrbahnstöße mit kleiner Amplitude, bei denen sich der Stoßdämpfer noch im wesentlichen starr verhält, mit Hilfe der Tellerfeder besser abzufedern. Die Tellerfeder muß jedoch relativ hart ausgelegt sein, da sie das ge­ samte Gewicht des Fahrzeugaufbaus aufnimmt. Bei einer Abwärts­ schwingung des Fahrzeugaufbaus schlägt die Tellerfeder bereits nach kurzem Federweg an dem Federteller an, der sich über die Staub­ schutzkappe an der Kolbenstange abstützt, so daß das Gewicht des Fahrzeugaufbaus im wesentlichen durch den Stoßdämpfer aufgenommen wird, der sich bei hochfrequenten Schwingungen relativ starr ver­ hält. Die oben erwähnten Resonanzschwingungen, die durch die Motor­ vibrationen hervorgerufen werden, können deshalb bei der herkömmli­ chen Vorderraufaufhängung nicht in dem erwünschten Ausmaß unter­ drückt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die Motorvibra­ tionen im Leerlauf angeregten Schwingungen des Fahrzeugaufbaus zu verringern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorderradaufhängung ist die Tragfeder mit der inneren Hülse des schwingungsdämpfenden Lagers verbunden. Der zwischen der inneren Hülse und der äußeren Hülse eingefügte elastische Körper wirkt daher sowohl bei Schwingungen mit großer Amplitude als auch bei Schwin­ ungen mit kleiner Amplitude in Serie mit der Tragfeder. Auf diese Weise kann durch das Zusammenwirken der Tragfeder mit dem elastischen Ele­ ment des Lagers eine optimale Schwingungsdämpfung erreicht werden.

In dem Frequenz- und Amplitudenbereich, der den vom Motor im Leerlauf übertragenen Vibrationen entspricht, ist die relativ starre Verbindung zwi­ schen Rad und Fahrzeugaufbau über den Stoßdämpfer und das schwingungs­ dämpfende Lager aufgehoben, und der Fahrzeugaufbau wird nur durch die im­ gedämpfte Tragfeder und das elastische Element des schwingungsdämpfenden Lagers relativ weich abgefedert. Hierdurch wird die Eigenfrequenz der Schwingungen des Fahrzeugaufbaus um die Rollachse so weit herabgesetzt, daß keine Resonanz mit der Grundfrequenz der Motorvibration mehr auftritt. Infolgedessen wird die Übertragung der Motorvibration auf den Fahrzeugauf­ bau wirksam unterdrückt.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung, die auch Darstellun­ gen zum Stand der Technik enthält, ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine erfindungsge­ mäße Vorderradaufhängung eines Kraftfahr­ zeugs mit Frontmotor;

Fig. 2 und 3 kinetische Modelle der Vorderradaufhän­ gung;

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine herkömmliche Vorderradaufhängung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des effektiven Verbrennungsdruckes Pi jedes der sechs Zy­ linder eines Dieselmotors;

Fig. 6 eine spektrale Darstellung der schwin­ gungserregenden Drehmomentschwankungen des Motors;

Fig. 7 ein kinetisches Modell des gesamten Fahr­ zeugs;

Fig. 8 ein kinetisches Modell des Fahrzeugs im Fall von Roll-Resonanzschwingungen;

Fig. 9 eine spektrale Darstellung des schwin­ gungserregenden Drehmoments; und

Fig. 10 das Schwingungsfrequenzspektrum des Fahr­ zeugaufbaus.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen als Feder­ bein dienenden Stoßdämpfer mit einem zylindrischen Außenrohr 12, dessen unteres Ende mit einem Radträger, etwa einem nicht gezeigten Achsschenkel verbunden ist, und einer Kolbenstange 16, deren oberes Ende über ein schwingungsdämpfendes Lager 13 und eine Halterung 14 mit dem Fahrzeugaufbau 15 verbunden ist. Die Kolbenstange 16 ist gleitend verschiebbar in dem Au­ ßenrohr 12 aufgenommen und ragt nach oben aus diesem heraus. Das Außenrohr 12 und die Kolbenstange 16 erzeugen bei ihrer Relativbewegung in axialer Richtung eine Dämpfungskraft und wirken mit einer Feder 17 zusammen, die zwischen dem Außen­ rohr 12 und dem Lager 13 angeordnet ist, so daß von dem Rad­ träger auf das Lager 13 übertragene Stöße gedämpft werden. Das Lager 13 umfaßt eine innere Hülse 13a, eine an der Halte­ rung 14 befestigte äußere Hülse 13b und einen elastischen Körper 13c, beispielsweise ein Gummielement, das zwischen der inneren und der äußeren Hülse eingefügt ist. Das obere Ende der Kolbenstange 16 ist mit Hilfe eines Lagers 18 axial in die innere Hülse 13a des schwingungsdämpfenden Lagers 13 ein­ gepaßt. Ein Flansch 21 ist mit Hilfe einer Schraube 19 am oberen Ende der Kolbenstange 16 befestigt, und eine im Nor­ malzustand konische Tellerfeder 22 ist zwischen dem Flansch 21 und dem oberen Ende der Kolbenstange 16 eingefügt. Der in­ nere Rand der Tellerfeder 22 ist zwischen dem Flansch 21 und dem oberen Ende der Kolbenstange 16 eingespannt, so daß er starr mit der Kolbenstange 16 beweglich ist, und der äußere Rand der Tellerfeder steht mit dem Lager 13 in Eingriff, so daß er starr mit dessen innerer Hülse 13a beweglich ist. Die ursprünglich konische Tellerfeder 22 läßt sich leicht in ei­ nen flachen Zustand verformen, wenn sie einer relativ kleinen axialen Last ausgesetzt ist, die über die innere Hülse 13a des Lagers 13 oder über die Kolbenstange 16 übertragen wird, so daß eine axiale Relativbewegung zwischen dem Lager 13 und der Kolbenstange 16 möglich ist. Wenn diese axiale Relativbe­ wegung zwischen dem Lager 13 und der Kolbenstange 16 infolge einer relativ starken Belastung einen vorgegebenen Wert über­ schreitet, so stützt sich der Flansch 21 an einem fest an der inneren Hülse 13a des Lagers 13 befestigten, einwärts umge­ börtelten Anschlag 23 oder über ein ringförmiges elastomeres Element 24 am äußeren Umfangsbereich der Tellerfeder 22 ab, so daß der Stoßdämpfer 11 seine stoßdämpfende Wirkung entfal­ tet. Die innere Hülse 13a des Lagers 13, der Flansch 21, die im entlasteten Zustand konische Tellerfeder 21, der Anschlag 23 und das ringförmige elastomere Element 24 bilden somit zu­ sammen eine Verbindungseinrichtung 25, durch die die Kolben­ stange 16 derart mit dem Lager 13 verbunden wird, daß eine axiale Relativbewegung zwischen dem Lager 13 und der Kolben­ stange 16 möglich ist.

Fig. 2 ist ein kinetisches Modell der oben beschriebenen Vorderradaufhängung. Gemäß diesem Modell weist das Lager 13 eine Federkonstante K₁ (K₁ = 600 bis 700 N/mm), der Stoßdämp­ fer 11 einen Dämpfungskoeffizienten C, die Feder 17 eine Fe­ derkonstante K₂ (K₂ = 20 bis 30 N/mm) und der Reifen (des zu­ gehörigen Rades) eine vertikale Federkonstante K₃ (K₃ = 200 bis 400 N/mm) auf.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der oben beschriebenen Aufhängung erläutert.

Wenn der Motor E (Fig. 7) im Leerlauf infolge ungleichmäßi­ ger Verbrennung eine schwingungserregende Kraft mit einer der Hälfte der Motordrehzahl entsprechenden Frequenzkomponente (Fig. 9) erzeugt, so wird diese Kraft auf den Fahrzeugaufbau 15 (symbolisiert durch den Block B in Fig. 7) übertragen, und der Fahrzeugaufbau wird zu Schwingungen um seine Rollach­ se, also in der Richtung ein Fig. 7, mit einer Frequenz von 5 bis 6 Hz angeregt. Da unter diesen Bedingungen die Kolben­ stange 16 des Stoßdämpfers 11 in dem Außenrohr festgehalten wird, so daß sich der Stoßdämpfer im wesentlichen starr verhält, kann das in Fig. 2 gezeigte kinetische Modell durch das Modell gemäß Fig. 3 ersetzt werden. Da die Verbindungseinrichtung 25 eine Relativbe­ wegung zwischen der Kolbenstange 16 und dem Lager 13 gestattet, ist aufgrund der für die einzelnen Federkonstanten K₁, K_S und K₃ gelten­ den Beziehung (nämlich K₁ » K₃ » K₂) die Gesamt-Federkonstante K der Vorderradaufhängung im wesentlichen gleich der Federkonstanten K₂ der Feder 17. Während bei der herkömmlichen Vorderradaufhängung, bei der die Kolbenstange 16 in Axialrichtung starr mit dem Lager 13 verbunden ist (Fig. 8), die Gesamt-Federkonstante der Aufhängung im wesentlichen gleich der vertikalen Federkonstanten K₃ des Rei­ fens ist, ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Vorderradaufhängung aufgrund der nur durch die Feder 17 abgefederten Relativbewegung zwischen der Kolbenstange 16 und dem Lager 13 die relativ kleine Federkonstante K₂, und die Resonanzfrequenz des Fahrzeugaufbaus ist entsprechend dem Verhältnis zwischen den Federkonstanten K₃ und K₂ (K₃/K₂ = 5 bis 10) verringert und liegt somit in einem optimalen Frequenzbereich von 2 bis 3 Hz gegenüber 5 bis 6 Hz bei der her­ kömmlichen Aufhängung. Im Ergebnis ist daher die Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz (2 bis 3 Hz) der Rollschwingung des Fahrzeugauf­ baus von dem Frequenzbereich (5 bis 6 Hz) der anregenden Schwin­ gung, deren Grundfrequenz der halben Motordrehzahl entspricht, ver­ schieden. Auf diese Weise wird eine Resonanzschwingung vermieden, und die Schwingungsanregung des Fahrzeugaufbaus infolge ungleichmä­ ßiger Verbrennung bei Leerlauf des Motors ist deutlich verringert.

Claims (6)

1. Vorderradaufhängung für Kraftfahrzeuge mit Frontmotor, mit einem zwi­ schen einem Radträger und dem Fahrzeugaufbau (15) angeordneten Stoß­ dämpfer (11), einem schwingungsdämpfenden Lager (13) bestehend aus ei­ ner am Fahrzeugaufbau befestigten äußeren Hülse (13b), einer inneren Hülse (13a) und einem zwischen der inneren und der äußeren Hülse eingefügten elastischen Körper (13c), wobei im schwingungsdämpfenden Lager (13) ei­ nes der relativ zueinander beweglichen Teile (Kolbenstange 16) des Stoß­ dämpfers derart gehalten ist, daß dieses Teil in bezug auf das Lager innerhalb eines begrenzten Spiels axial beweglich ist, und mit einer zwischen dem Rad­ träger und dem Lager (13) wirkenden Tragfeder (17), dadurch gekennzeich­ net, daß die Tragfeder (17) mit der inneren Hülse (13a) des Lagers (13) ver­ bunden ist und daß das in dem Lager (13) gehaltene Teil (Kolbenstange 16) des Stoßdämpfers (11) derart elastisch mit der inneren Hülse (13a) des La­ gers (13) verbunden ist, daß das Schwingungsverhalten des Fahrzeugaufbaus (15) bei Schwingungsamplituden im Bereich des Spiels des Stoßdämpferteils (Kolbenstange 16) im wesentlichen durch die Tragfeder (17) und den elasti­ schen Körper (13c) bestimmt wird.

2. Vorderradaufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur elastischen Verbindung des in dem Lager (13) gehaltenen Teils (Kolben­ stange 16) des Stoßdämpfers (11) mit der inneren Hülse (13a) des Lagers (13) eine im entlasteten Zustand konische Tellerfeder (22) vorgesehen ist.

3. Vorderradaufhängung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (22) an der inneren Hülse (13a) des Lagers (13) gehalten ist.

4. Vorderradaufhängung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Lager (13) gehaltene Teil des Stoßdämpfers (11) dessen Kolbenstange (16) ist und daß die Kolbenstange (16) an ihrem freien Ende mit einem radial vorspringenden Flansch (21) versehen ist, der axial zwischen an dem Lager (13) angebrachten Anschlägen (23, 24) beweg­ lich ist.

5. Vorderradaufhängung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (23, 24) gummielastische Dämpfungselemente aufweisen.

6. Vorderradaufhängung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einer der Anschläge durch einen auf der Tellerfeder (22) auf­ liegenden Ring (24) gebildet wird.