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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur aktiven Spureinstellung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Spurlenkung eines Rades wird durch einen mit der Lenkung verbundenen Spurlenker oder durch eine elasto-/kinematische Lenker-/Winkelverstellung des Achssystems oder durch eine Kombination dieser beiden Vorrichtungen realisiert.
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Es ist auch bekannt, insbesondere die Hinterachsen von Fahrzeugen mit Vorrichtungen zur aktiven Spurlenkung zu versehen. Derartige Spurlenkungen befinden sich seit dem Ende der 1980iger Jahre im Einsatz. Die frühen Systeme waren jedoch noch nicht mit elektronischer Fahrdynamik-Regelung gekoppelt, da es derartige elektronische Systeme zu diesem Zeitpunkt noch nicht gab.
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Nach dem neueren Stand der Technik werden Vorrichtungen zur aktiven Spurlenkung von Kraftfahrzeugen eingesetzt, bei denen der Spurlenker durch eine Stelleinheit ersetzt wird. Eine solche Stelleinheit kann ebenso zentral über ein Verbindungsglied mit den Spurlenkern beider Seiten verbunden werden. Die Stelleinheit verstellt dann, abhängig von den Fahrzuständen des Fahrzeugs, die Spur der Räder auf dieser Achse. Neben dem Einsatz von Stelleinheiten als Spurlenker besteht die Möglichkeit, eine zentral an einem Fahrzeugaufbau bzw. einem Hinterachshilfsrahmen angeordnete hydraulische Stelleinheit für die aktive Spurbeeinflussung der Hinterachse zu realisieren. Dabei wird zwischen zwei verschiedenen Lenkstrategien der Hinterräder unterschieden: Zum einen ein gegensinniges Lenken der Hinterräder zu den Vorderrädern bei langsamer Fahrt, insbesondere beim Einparken des Kraftfahrzeugs, und zum anderen ein gleichsinniges Lenken der Hinterräder gegenüber den Vorderrädern bei schneller Fahrt, insbesondere bei einem Spurwechsel oder einer Kurvenfahrt.
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Nachhaltig an diesen elektronisch steuerbaren oder regelbaren Stelleinheiten ist, dass diese zur Ausrichtung der Räder beim Durchfahren einer Kurve während schneller Fahrt als auch zur Positionierung der Räder in der Neutralposition, bei der ein Geradeauslauf der Räder erfolgt, mit Energie versorgt werden müssen, um diese Positionen einzunehmen bzw. zu halten.
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Eine solche dauerhafte Versorgung der Stelleinheiten mit Energie, selbst in der ”Neutralposition”, führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß des Kraftfahrzeugs.
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Es gibt bereits Überlegungen, dass hydraulische Stellelement durch Federelemente in einer Position zu blockieren, falls der hydraulische Druck plötzlich abfällt, beispielsweise weil die gesamte Stelleinheit ausfällt. Diese Position muss nicht zwingend der Neutralposition entsprechen. Zwar eignen sich Energiespeicher wie Federelemente grundsätzlich sehr gut dazu, die Neutrallage des Stellelements aufrecht zu erhalten, ohne dass externe Energie zugeführt werden muss. Fällt das Stellelement jedoch gerade dann aus, wenn sich das Stellelement nicht in der Neutrallage befindet, kann der Energiespeicher aber auch bewirken, dass das Stellelement außerhalb der Neutrallage blockiert wird. Im Extremfall kann dies zu Schwierigkeiten, beispielsweise beim Abschleppen eines Fahrzeugs, führen.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur aktiven Spureinstellung von auf einer Radachse eines Kraftfahrzeugs angeordneten Rädern aufzuzeigen, welche nicht nur dazu geeignet ist, die Positionierung der Räder während schneller Fahrt ohne erhöhten Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß zu gewährleisten, sondern zudem auch eine zuverlässige Einhaltung der Neutralstellung zu ermöglichen, selbst wenn die Stelleinheit ausfallen sollte.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besitzt die hydraulische Stelleinheit einen Hydraulikzylinder mit einer durchgehenden Kolbenstange, auf welcher ein Stellkolben angeordnet ist. Über eine Druckerzeugungseinheit kann der Stellkolben beiderseits mit hydraulischem Druck beaufschlagt werden und dadurch relativ zum Hydraulikzylinder verlagert werden. Durch die Verlagerung des Stellkolbens wird auch die Kolbenstange verlagert. Spurlenkern, die von der Kolbenstange angesteuert werden, bewirken letztlich die Veränderung der Spur der Räder und führen zu der gewünschten Lenkbewegung an der Radachse.
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Das Besondere bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass an der Kolbenstange eine Federkraft angreift, durch welche die Kolbenstange in eine Neutralstellung relativ zum Hydraulikzylinder gehalten ist. Die Federkraft wirkt unmittelbar auf die Kolbenstange. Das hat zwar zur Folge, dass die Kolbenstange nur gegen die Federkraft verlagert werden kann, was höhere Stellkräfte zur Verlagerung der Kolbenstange und mithin höhere hydraulische Drücke in der Stelleinheit erfordert, allerdings lassen sich höhere hydraulische Drücke relativ leicht erzeugen, insbesondere wenn der Kraftunterschied zwischen der Federkraft und den hydraulischen Kräften groß genug ist. Der entscheidende Vorteil ist jedoch, dass bei einem Druckabfall die Kolbenstange exakt in der Neutralstellung gehalten werden kann. Die Kolbenstange kann dadurch nicht in einer Zwischenstellung blockieren. Das ermöglicht auch bei einem Ausfall der Systeme eine Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs. Ein weiterer Vorteil ist, dass das gesamte System abgeschaltet werden kann, wenn es nicht benötigt wird, wie zum Beispiel bei der reinen Geradeausfahrt. Die Kolbenstange wird durch die Federkraft selbsttätig in der Neutralstellung gehalten.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Federkraft für die Kolbenstange von wenigstens einem Federelement aufgebracht wird, dass sich innerhalb des Hydraulikzylinders befindet. Bei der Stelleinheit handelt es sich um eine gekapselte Anordnung, welche auch die Federelemente schützt. Dadurch, dass das Federelement innerhalb des Hydraulikzylinders angeordnet ist, stützt sich das Federelement zwangsläufig an der innenliegenden Stirnseite des Hydraulikzylinders und andererseits an der Kolbenstange ab. Die Kolbenstange beseitzt hierzu ein entsprechendes Widerlager.
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Bei den Federelementen handelt es sich insbesondere um Druckfedern. Vorzugsweise werden zwei in entgegengesetzte Richtungen wirkende Druckfedern innerhalb des Hydraulikzylinders angeordnet. Die Druckfedern stützen sich jeweils an den inneren Stirnseiten des Hydraulikzylinders ab und greifen andererseits am Widerlager der Kolbenstange an.
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In vorteilhafter Weiterbildung stehen zwei zwischen einem Fahrzeugaufbau und der Radachse angeordnete Aufbaudämpfer derart mit der Stelleinheit in Wirkverbindung, dass sie einen Antrieb für die Stelleinheit bilden. Dadurch kann eine bei Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs bewirkte Aufbaubewegung (Wanken, Rollen) in gezielte Stellbewegungen der Stelleinheit zur Spur- und auch zur Sturzbeeinflussung umgewandelt werden. Die Aufbaudämpfer sind hierzu als hydraulische Aufbaudämpfer ausgebildet. Ein durch eine Wankbewegung des Fahrzeugaufbaus verursachter Fluss einer Hydraulikflüssigkeit aus dem Aufbaudämpfer in die Stelleinheit führt zu einer Verlagerung des Stellkolbens innerhalb der Stelleinheit. Das bedeutet, dass die pro Rad vorhandenen hydraulischen Aufbaudämpfer genutzt werden können, um über die Verdrängung der Hydraulikflüssigkeit eine beispielsweise die Spurlenker verstellende Stelleinheit anzusteuern. Grundsätzlich kann jedoch eine Druckerzeugungseinheit vorgesehen sein, wenn die Stelleinheit unabhängig von den Aufbaudämpfern betätigt werden soll, beispielsweise zur Wendekreisverkleinerung bzw. einer Bremswegverkürzung auf Splitt.
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Es ist jedoch festgestellt worden, dass bei einer fluidischen Kupplung der Aufbaudämpfer mit der Stelleinheit hochfrequente Anteile der Straßenanregung über den Aufbaudämpfer zusätzlich in eine Veränderung des Lenkwinkels bzw. der Spur an der Radachse führen, die von der doppelt wirkenden hydraulischen Stelleinheit beaufschlagt wird. Dieser Effekt kann unter Umständen den Geradeauslauf des Fahrzeugs als auch das Fahrverhalten des Fahrzeugs bei Kurvenfahrt negativ beeinflussen. Es liegt der Erfindung somit die weitere Aufgabe zugrunde, diese Effekte zu vermeiden, was im Rahmen des Patentanspruchs 4 dadurch gelöst wird, dass der Stellkolben gegenüber der Kolbenstange begrenzt relativ verschieblich ist. Diese begrenzte relative Verschieblichkeit des Stellkolbens gegenüber der Kolbenstange kann auch als Freilauf bezeichnet werden. Dieser Freilauf hat die Wirkung, dass der Kolben die durch Straßenanregung in den Dämpfern hervorgerufenen kleinen, aber hochfrequenten Schwingungen nicht unmittelbar auf die Radlenker überträgt. Dadurch werden negative Eigenschaften im Sinne einer unerwünschten Spurveränderung vermieden. Die begrenzte Relativverschieblichkeit ist beispielsweise dadurch zu realisieren, dass der Stellkolben in einer Nut der Kolbenstange angeordnet ist, wobei die Nut die Längsverlagerung des Stellkolbens gegenüber der Kolbenstange begrenzt. Daher soll die Nut eine größere Längserstreckung aufweisen als der Stellkolben. Erst wenn der Druckunterschied die Federkräfte überwunden hat, schlägt der Stellkolben an einem Ende der Nut an. Die Stellkraft wird von dem Stellkolben auf die Kolbenstange übertragen, was schließlich zu einer Spurveränderung der Radachse führt.
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Zusätzlich kann der Stellkolben unter dem Einfluss einer Federkraft in einer Neutralstellung relativ zur Kolbenstange gehalten sein. Auch in diesem Fall ist eine Nut zweckmäßig, da die Enden der Nut gleichzeitig als Widerlager für Federelemente dienen können, die genauso wie die Federelemente für die Kolbenstange innerhalb des Hydraulikzylinders gekapselt angeordnet sein sollten. Bei den Federelementen handelt es sich zweckmäßiger Weise um in entgegengesetzte Richtungen wirkende Druckfedern, die sich jeweils einerseits an dem Stellkolben und andererseits an der Kolbenstange abstützen. Bei den Federelementen des Stellkolbens kann es sich zum Beispiel um Tellerfedern handeln, die Platz sparend verbaut werden können. Sämtliche Federelemente können so konfiguriert sein, dass sie von der Kolbenstange durchsetzt sind. Es kann sich bei den Federelementen für die Kolbenstange daher vorzugsweise um Schraubendruckfedern handeln.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Ansicht eines schematisch dargestellten Achsbereichs eines Kraftfahrzeugs von hinten und
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2 eine schematische Detailansicht der Stelleinheit.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Vorrichtung und deren Bestandteile. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, d. h. in verschiedenen Arbeitsstellungen oder durch spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
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Die Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele und zeigen die Erfindung anhand einer Spureinstellungseinheit für Kraftfahrzeugräder.
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur aktiven Spureinstellung von auf einer Radachse eines Kraftfahrzeugs angeordneten Rädern 1. Die Räder 1 sind auf einer Radachse, insbesondere einer Hinterachse, angeordnet, die am Fahrzeugaufbau 2, insbesondere an einem Achsträger, befestigt ist.
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Das Rad 1 ist an einem Radträger 21 befestigt, an dem ein Spurlenker 4 und mindestens zwei Radlenker 3 angeordnet sind. Denkbar ist auch eine Ausbildung der Radachse als Starrachse oder als Halbstarrachse, insbesondere als Koppel- oder Verbundlenkerachse. An jeweils einem der Radlenker 3 des Rades 1 ist ein Aufbaudämpfer 7, 8 angeordnet, welcher Aufbaubewegungen des Kraftfahrzeugs, beispielsweise bei einer Kurvenfahrt des Kraftfahrzeugs, abdämpft. Die Spurlenker 4 der beiden Räder 1 stehen mit einer Stelleinheit 6 in Wirkverbindung, welche durch gezielte Stellbewegungen die Spur der Räder 1 verstellt. Diese Stelleinheit 6 ist außerdem mit mindestens einem der Aufbaudämpfer 7, 8 derart verbunden, dass der Aufbaudämpfer 7, 8 einen Antrieb für die Stelleinheit 6 bildet. Die Ansteuerung der hydraulischen Stelleinheit erfolgt bevorzugt über ein Steuergerät, welches vorher alle fahrdynamischen und sicherheitsrelevanten Daten des Kraftfahrzeugs auswertet und dabei die optimale Radstellung an den Rädern 1, welche mit der aktiven Spurlenkungsvorrichtung verbunden sind, ermittelt.
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Vorzugsweise ist eine Druckerzeugungseinheit 34 vorgesehen, welche elektrisch betreibbar ist. Diese Druckerzeugungseinheit 34 ist dabei an die Stelleinheit 6 oder die Stelleinheit 6 und die hydraulischen Aufbaudämpfer 7, 8 verbindenden Hydraulikleitungen 17, 18, 19, 20 angeschlossen. Durch diesen elektrisch erzeugten hydraulischen Druck kann für den Fall einer erwünschten Wendekreisverkleinerung des Kraftfahrzeugs bzw. einer Bremswegverkürzung die Spurverstellung auch ohne die durch Aufbaudämpfer 7, 8 zur Verfügung gestellte Energie erfolgen.
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Die Stelleinheit 6 und die Aufbaudämpfer 7, 8 sind als hydraulische Aufbaudämpfer 7, 8 bzw. als hydraulische Stelleinheit 6 ausgebildet. Jeder der hydraulischen Aufbaudämpfer 7, 8 besteht dabei in bekannter Weise aus einem Gehäuse, in das eine an dem Spurlenker 4 angeordnete Stange 9, 13 hineinragt. Im Gehäuseinneren befindet sich ein Stellkolben 10, 14, welcher an dem anderen Ende der Stange 9, 13 angebracht ist und in dem Gehäuse verfahrbar ist. Durch diesen Stellkolben 10, 14 ist das Gehäuse der Aufbaudämpfer 7, 8 in zwei Kammern 11, 12 bzw. 15, 16 aufgeteilt, welche mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllt sind. In jede dieser Kammern 11, 12 bzw. 15, 16 ist eine Hydraulikleitung 17, 18 bzw. 19, 20 angeschlossen, welche in Kammern der Stelleinheit 6 münden, wobei die Kammern der Stelleinheit 6 durch einen Stellkolben 22 voneinander getrennt sind (2).
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2 zeigt eine Detailansicht einer Ausführungsvariante der Stelleinheit 6. Bei der dort gezeigten Ausführungsvariante der Stelleinheit 6 wird das Gehäuseinnere der Stelleinheit 6 durch einen Stellkolben 22 in zwei Kammern aufgeteilt. Eine Kolbenstange 40 durchsetzt das als Hydraulikzylinder 27 bezeichnete Gehäuse, in welchem sich der Stellkolben 22 und zumindest teilweise auch die Kolbenstange 40 befinden. Die Spurlenker 4 der Räder 1 stehen senkrecht zu dem Stellkolben 22.
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Der Hydraulikzylinder 27 ist insbesondere ein zylindrisches Gehäuse. Der Hydraulikzylinder 27 ist mit hydraulischen Ein-/Auslässen 28, 29 versehen, die in die jeweiligen Gehäusekammern links und rechts des Stellkolbens 22 münden. An den Ein-/Auslässen 28, 29 links und rechts des Stellkolbens 22 ist je eine der Hydraulikleitungen 17, 18, 19, 20 angeschlossen, und zwar in der Weise, dass an eine der Kammern der Stelleinheit 6 eine Hydraulikleitung 17 angeschlossen ist, die mit ihrem anderen Ende in die dem Radlenker 3 zugewandte Kammer 11 des Aufbaudämpfers 7 mündet, und die zweite Hydraulikleitung 20 in der dem Fahrzeugaufbau 2 nahen Kammer 16 des anderen Aufbaudämpfers 8 mündet (1). Dementsprechend ist die andere Kammer der Stelleinheit 6 über die Hydraulikleitungen 19 bzw. 18 mit der dem Fahrzeugaufbau 2 zugewandten Kammer 12 des Aufbaudämpfers 7 und der dem Radlenker 3 zugewandten Kammer 15 des anderen Aufbaudämpfers 8 verbunden bzw. an diese angeschlossen.
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Fährt nun ein mit einer solchen Vorrichtung ausgestattetes Kraftfahrzeug durch eine Kurve, so wird aufgrund der dabei auftretenden Neigung des Fahrzeugs und damit auch des Fahrzeugaufbaus 2 bei einem der Aufbaudämpfer 7, 8 die Stange 9, 13 weit in den Aufbaudämpfer 7, 8 hineingedrückt. Gleichzeitig wird der Fahrzeugaufbau 2 an dem anderen Aufbaudämpfer 8, 7 angehoben, wodurch die Stange 13, 9 des Aufbaudämpfers 8, 7 weiter aus dem Aufbaudämpfer 8, 7 heraussteht. Dies führt dazu, dass die in den Aufbaudämpfern 7, 8 befindliche Hydraulikflüssigkeit durch Verschieben des Stellkolbens 10 bzw. 14 der Aufbaudämpfer 7, 8 in eine der dem Stellkolben 22 der Stelleinheit 6 benachbarten Kammern gedrückt wird und dadurch der Stellkolben 22 in seinem Hydraulikzylinder verschoben wird. Diese Verschiebung geht einher mit einer Spurverstellung der Räder 1 über die mit dem Stellkolben 22 verbundenen Kolbenstangen 40 und Spurlenker 4.
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2 zeigt, dass die Kolbenstange 40 von mehreren Federelementen 41, 42, 43, 44 umgeben ist. Die jeweils äußeren Federelemente 41, 42 sind Schraubendruckfedern, die von der Kolbenstange 40 durchsetzt werden. Diese Federelemente 41, 42 üben in entgegengesetzte Richtung wirkende Federkräfte F1, F2 aus. Dabei stützen sich die Federelemente 41, 42 mit ihren jeweils außen liegenden Enden an den innenliegenden Stirnseiten des Hydraulikzylinders 27 ab. Die einander zugewandten inneren Enden der Federelemente 41, 42 stützen sich jeweils am Widerlager ab, in Form von in Radialrichtung vorstehenden umlaufenden Vorsprüngen. Die Federkräfte F1, F2 sind gleich groß, so dass die Kolbenstange 40 in der dargestellten Neutralposition gehalten wird, wenn nicht durch einen angelegten hydraulischen Druck eine Druckdifferenz zwischen den beiderseitigen Kammern des Stellkolbens 22 aufgebaut wird.
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Ferner zeigt 2, dass auf den einander zugewandten Seiten der Widerlager 45, 46 die innenliegenden Federelemente 43, 44 abgestützt sind, die mit ihren einander zugewandten Enden auf den Stellkolben 22 wirken und auch diesen in der dargestellten Neutralposition halten. Die Federkräfte F3 und F4 wirken in entgegengesetzte Richtung. Es handelt sich bei den Federelementen 43, 44 somit auch um Schraubendruckfedern.
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Der Durchmesser der Kolbenstange 40 ist im Bereich zwischen den Widerlagern 45, 46 verkleinert. Dieser Bereich kann daher auch als Nut 47 innerhalb der Kolbenstange 40 bezeichnet werden. Die Nut 47 bzw. der Abstand der Widerlager 45, 46 verhindern die Übertragung kleinerer Auslenkungen des Stellkolbens 22 auf die Kolbenstange 40 und damit auf die Radlenker 4.
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Diese durch hochfrequente Schwingungen der Aufbaudämpfer 7, 8, die zu einer Fluideinleitung in das Stellelement 6 führen, bedingte Auslenkung des Stellkolbens 22 führt somit nur zu einer Schwankung des Stellkolbens 22 um die dargestellte Mittellage.
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Zur Rückstellung des Stellkolbens 22 dienen dabei die beidseitigen Federelemente 43, 44 des Stellelements. Die Steifigkeit der in Reihe geschalteten Federelemente 41, 42, 43, 44 wird so eingestellt, dass der Stellkolben 22 auch bei Kurvenfahrt nicht an den Anschlag der Nut 47 kommt, d. h. nicht die Widerlager 45, 46 berührt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rad
- 2
- Fahrzeugaufbau
- 3
- Radlenker
- 4
- Spurlenker
- 5
- Hilfsrahmen
- 6
- Stelleinheit
- 7
- Aufbaudämpfer
- 8
- Aufbaudämpfer
- 9
- Stange
- 10
- Stellkolben
- 11
- Kammer
- 12
- Kammer
- 13
- Stange
- 14
- Stellkolben
- 15
- Kammer
- 16
- Kammer
- 17
- Hydraulikleitung
- 18
- Hydraulikleitung
- 19
- Hydraulikleitung
- 20
- Hydraulikleitung
- 21
- Radträger
- 22
- Stellkolben
- 27
- Hydraulikzylinder
- 28
- Ein-/Auslass
- 29
- Ein-/Auslass
- 34
- Druckerzeugungseinheit
- 35
- Hydraulikleitung
- 36
- Hydraulikleitung
- 40
- Kolbenstange
- 41
- Federelement
- 42
- Federelement
- 43
- Federelement
- 44
- Federelement
- 45
- Widerlager
- 46
- Widerlager
- 47
- Nut
- F1
- Federkraft
- F2
- Federkraft
- F3
- Federkraft
- F4
- Federkraft