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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Achssteller für die Radaufhängung eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Achssteller ist sowohl für die Vorderachse als auch für die Hinterachse anwendbar. Für jedes Fahrzeugrad kann ein solcher Achssteller vorgesehen sein, damit pro Fahrzeugrad aktive Kräfte gestellt werden können.
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Ein solcher Achssteller ist beispielhaft aus der
DE 10 2009 005 899 A1 bekannt. Der Achsteller weist eine mittels eines Aktuators betätigbare Drehstabfeder auf, die sich in der Fahrzeugquerrichtung bis etwa in die Fahrzeugquermitte erstreckt und radseitig auf einen Abtriebshebel wirkt, der wiederum an einem Radführungselement der Radaufhängung angelenkt ist. In der
DE 10 2009 005 899 A1 ist die Drehstabfeder mehrteilig sowie in verschachtelter Anordnung ausgeführt, bei der zwei radial äußere Hohlstäbe sowie ein radial innenliegender Vollstab aus Federstahl vorgesehen sind, die über zum Beispiel Keilverzahnungen miteinander kraftübertragend verbunden sind.
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Die
DE 195 13 467 A1 offenbart eine Fahrzeugachse, umfassend Radträger für Fahrzeugräder, wobei jeder Radträger jeweils mit einem im Wesentlichen parallel zur Fahrzeugachse verlaufenden Drehstab verbunden ist und wobei zwischen dem Radträger und dem Drehstab ein Querlenker angeordnet ist. Die Drehstäbe weisen jeweils eine abgewinkelte Anbindungsstrebe auf, die in Ruhelage des Fahrzeugs entgegengesetzt ausgerichtet sind. Die beiden Anbindungsstreben sind über eine gelenkig gelagerte Koppelstange verbunden, so dass bei einer Einfederungsbewegung des einen Rades die Koppelstange über die abgewinkelte Anbindungsstrebe eine entgegengesetzt gerichtete Verdrehbewegung auf den Drehstab des anderen Rades überträgt.
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In dem aus der
DE 10 2009 005 899 A1 bekannten Drehfedersystem wird die Federarbeit im Wechselspiel der Ein- und Ausfederbewegung des Rades aufgenommen bzw. abgegeben. Gleichzeitig ist es möglich, mittels des Aktuators Momente zu überlagern, das heißt die Drehfedern je nach Erfordernis aufzuziehen oder zu entspannen. Durch das Vorhandensein der Tragfeder als eine Hauptfeder müssen mit dem Drehsteller nur anteilig Stellkräfte zur Radlaständerung gestellt werden. Es findet ständig eine Überlagerung der Federkräfte aus Hauptfeder und Drehfeder statt, und zwar je nach dem wie die Fahrsituation dies erfordert und die Steuerung dies vorgibt. Am Ausgang des Drehfedersystems befindet sich eine Schwinge, an deren Ende eine Koppel angelenkt ist. Die Koppel verbindet die Schwinge mit dem Trapezlenker, der mit dem Fahrzeugrad verbunden ist. Somit können die im Drehsteller erzeugten Drehmomente über den Lastpfad Motor/Getriebe/Drehfeder/Schwinge/Koppel/Trapezlenker/Fahrzeugrad letztlich als lineare Stellkräfte auf das Fahrzeugrad übertragen werden.
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Bei dem oben dargelegten Drehfedersystem setzt sich die Drehstabfeder lediglich aus zwei Komponenten, nämlich aus Rohrfeder und Vollstabfeder, zusammen. Demgegenüber ist die Drehschwinge, das heißt der Abtriebshebel, absolut starr ohne Einfluss auf die Gesamtfederkonstante des Systems ausgelegt. Besteht nun beispielsweise Bedarf, eine weichere Drehstabfeder zu realisieren, so müsste als erste Maßnahme der Durchmesser von Rohrfeder und/oder Vollstabfeder reduziert werden. Mit dem Reduzieren des Durchmessers würde jedoch das Arbeitsvermögen des Drehfederstabes abnehmen und würden gleichzeitig auch die Spannungen überproportional zunehmen, so dass die Rohr- und Stabfeder verlängert werden müssten. Eine solche Längenänderung ist jedoch aufgrund der äußerst kritischen Platzverhältnisse im Bereich der Radaufhängung nicht durchführbar. Dies hat zur Folge, dass insbesondere bei kleineren Fahrzeugbaureihen, bei denen eine Reduzierung der Gesamtfedersteifigkeit unumgänglich ist, ein derartiger Drehsteller aufgrund der hohen Packungsdichte nicht eingebaut werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Achssteller bereitzustellen, bei dem mit baulich und konstruktiv einfachen Mitteln die Gesamtfederkonstante des Achsstellers beeinflussbar ist.
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Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung betrifft speziell einen Achssteller-Aufbau, bei dem der Abtriebshebel der Drehstabfeder nicht unmittelbar am Radführungselement angelenkt ist, sondern unter Zwischenschaltung einer Koppelstange. Diese ist sowohl mit dem Radführungselement als auch mit dem Abtriebshebel über Gelenke, etwa Kugelgelenke oder andere Schwenkgelenke, in Verbindung. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die an den Abtriebshebel anschließende Koppelstange nicht mehr starr, das heißt ohne Federeigenschaft, sondern als ein Federelement mit definierter Federrate ausgebildet ist. Damit werden in einfacher Weise der Drehstabfeder in Reihenschaltung das Federelement nachgeschaltet bzw. überlagert, das die Federrate der Federungsanordnung absenkt und die Torsionsbelastungen der Drehstabfeder vermindert. Daraus resultiert, dass gegebenenfalls eine im Durchmesser geringere, gewichtsgünstigere Drehstabfeder verwendbar ist.
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Die Drehstabfeder kann als ein geschachteltes Drehfedersystem ausgeführt sein, bestehend aus einer Rohrfeder und einer Vollstabfeder. Das System wird daher mit der Koppelstange als eine dritte federnde Komponente erweitert. Dadurch kann unter Beibehaltung der geometrischen Abmessungen, das heißt der Länge des Drehfedersystems, die Gesamtfederrate nach unten korrigiert werden. Entsprechend kann der Achssteller auch bei kleineren Fahrzeugbaureihen verbaut werden, in denen eine Reduzierung der Gesamtfedersteifigkeit der Radaufhängung erforderlich ist.
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Bevorzugt kann die Koppelstange eine C-förmige Biegefeder, insbesondere eine Blattfeder sein. Deren Federfußpunkte sind über die oben erwähnten Gelenke am Abtriebshebel sowie am Radführungselement angelenkt. Im Hinblick auf Gewichtseinsparungen ist eine gewichtsoptimierte Konstruktion der Koppelstange von Bedeutung. Bevorzugt kann daher die als C-förmige Blattfeder gestaltete Koppelstange eine in etwa sichelförmige Seitenkontur aufweisen, und zwar mit einem mittleren Bereich hoher Materialstärke, der sich zu den gelenkseitigen Federfußpunkten hin verjüngt. Auf diese Weise kann die Koppelstange weitgehend als ein Biegeträger gleicher Biegespannung ausgeführt werden, bei dem sich im Fahrbetrieb eine gleichmäßig verteilte Bauteilspannung einstellt.
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Mittels der Gelenkverbindungen wird erreicht, dass auf die als Biegefeder ausgeführte Koppelstange keine von den Radführungselementen vom Fahrbetrieb ausgehende verkantende Störmomente ausgeübt werden.
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Für eine weitere gewichtsoptimierte Konstruktion ist es zudem von Vorteil, wenn die C-förmige Blattfeder aus einem Flachprofil mit zumindest teilweise rechtwinkligem Querschnitt hergestellt ist. Das Flachprofil ist in der Einbaulage bevorzugt so ausgerichtet, dass es mit einer Flachseite einem, von der Blattfeder C-förmig umgrenzten Bauraum zugewandt ist. In dem, von der Blattfeder umgrenzten Bauraum kann im Sinne einer Package-Optimierung ein zusätzliches Fahrgestellelement bauraumgünstig angeordnet sein.
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Die Koppelstange kann bevorzugt in etwa vertikal ausgerichtet zwischen ihren beiden Gelenkpunkten angeordnet sein. Entsprechend können die beiden Federfußpunkte der Koppelstange in der Konstruktionslage vertikal fluchtend übereinanderliegen.
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Die Koppelstange kann aus einem Federstahl gefertigt sein. Im Hinblick auf eine Gewichtsoptimierung ist es von Vorteil, die Koppelstange aus einem Faser-Verbund-Werkstoff, etwa aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, herzustellen.
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, definiert die Drehstabfeder zusammen mit der als Federelement ausgeführten Koppelstange ein Speicherfedersystem mit vordefinierter Gesamtfederkonstante. Bei dieser Anordnung ist es besonders von Vorteil, dass die im Lastpfad zwischen der Drehstabfeder und der Koppelstange zwischengeschaltete Abtriebshebel als ein starres Bauteil ohne Federeigenschaften, das heißt ohne Einfluss auf die Gesamtfederkonstante, ausgeführt ist. Hierfür ist es von Vorteil, wenn der Abtriebshebel zunächst als separates, starres Bauteil gefertigt ist und erst anschließend kraft- und/oder reibschlüssig mit der Drehstabfeder verbunden wird (im Gegensatz zu einer materialeinheitlichen sowie einstückigen Ausbildung des Abtriebshebels an der Drehstabfeder). Auf diese Weise kann der Abtriebshebel unabhängig von der federnd nachgiebigen Drehstabfeder im Hinblick auf seine Bauteilsteifigkeit optimiert werden. Der zwischen der Koppelstange und der Drehstabfeder geschaltete Abtriebshebel dient somit im Fahrbetrieb alleine der Drehmomentübertragung von der Drehstabfeder auf die Koppelstange, und zwar ohne zusätzliche Speicherung/Abgabe von Federarbeit.
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Bevorzugt kann die Drehstabfeder in der Fahrzeugquerrichtung fluchtend ausgerichtet sein, während sich der Abtriebshebel in der Fahrzeuglängsrichtung erstreckt. Die Hebelarmlänge des Abtriebshebels ist im Hinblick auf die Momentenübertragung zwischen der Drehstabfeder und der Koppelstange ausgelegt.
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Alternativ zur Ausgestaltung als C-förmige Feder kann die Koppelstange auch als Teleskopfeder ausgeführt sein. Diese kann ein an einem Verbindungspartner angelenktes Gehäuse aufweisen, in dem ein Kolben entgegen einer Federkraft linear in beiden Richtung hubverstellbar geführt ist. Der Kolben kann wiederum über eine Kolbenstange an dem anderen Verbindungspartner angelenkt sein. Damit über die Teleskopfeder sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen werden können, ist es erforderlich, dass zwei Federelemente zueinander in Gegenrichtungen auf den hubverstellbar geführten Kolben wirken.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können der Abtriebshebel und der Drehsteller in der Fahrzeugquerrichtung jeweils an der dem Fahrzeugrad zugewandten Seite des Achsstellers positioniert sein, wobei die Drehstabfeder ausgehend von dem Drehsteller als Rohrfeder der Fahrzeugmitte zu verlaufen, dort trieblich mit einem Vollstab verbunden ist, der zurückverlaufend durch den Drehsteller hindurch mit dem außen liegenden Abtriebshebel mittelbar oder unmittelbar verbunden ist.
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Des Weiteren kann die Drehstabfeder wie eingangs aufgeführt als Speicherfeder mit einer an der Radaufhängung vorgesehenen, parallel geschalteten Tragfeder zusammenwirken, wobei die Tragfeder einerseits und die Drehstabfeder mit der als Biegefeder ausgeführten Koppelstange andererseits eine an unterschiedliche Fahrzeugtypen und Fahrzeuggewichte gut anpassbare Gesamtfederrate der Federungsanordnung definieren.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
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1 eine Draufsicht auf die untere Ebene einer linksseitigen Radaufhängung einer Hinterachse eines Kraftfahrzeuges, mit einem unteren Querlenker, einem Stoßdämpfer und einem Achssteller, der aus einer Drehstabfeder, einem Abtriebshebel und einer Koppelstange gebildet ist, die über einen elektromotorischen Drehsteller verstellbar sind;
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2 ein Ersatzschaltbild der Federungsanordnung nach 1 mit Darstellung der Einzelfederraten c1 und c2, die im Wesentlichen die Gesamtfederrate bestimmen;
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3 in einer Seitenansicht den Achssteller mit einer als Biegefeder ausgeführten Koppelstange;
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4 die Koppelstange in perspektivischer Ansicht sowie in Alleinstellung; und
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5 eine Ansicht entsprechend der 3 mit einer als Teleskopfeder ausgebildeten Koppelstange.
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In der 1 ist mit 10 die untere Ebene einer linksseitigen Radaufhängung für ein Kraftfahrzeug bezeichnet, mit einem unteren Querlenker 12, der einerseits an einem nur abschnittsweise dargestellten Hilfsrahmen 14 und andererseits an einem nicht dargestellten Radträger für ein Hinterrad 16 angelenkt ist. Der den Radträger führende obere Querlenker oder Lenker ist nicht ersichtlich.
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Die in der 1 gezeigte, linksseitige Radaufhängung weist eine getrennte Feder-Dämpfer-Anordnung mit einem Stoßdämpfer 24 auf, der von der Tragfeder 20 getrennt ist, die lediglich in dem Ersatzmodell der 2 gezeigt ist. Der erfindungsgemäße Achssteller setzt sich gemäß der 1 aus einem in Fahrzeugquerrichtung verlaufenden Drehstab 22 als Speicherfeder noch zu beschreibender Konstruktion zusammen.
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Der Teleskopstoßdämpfer 24 ist an dem unteren Querlenker 12 und oben in nicht näher dargestellter Weise am Aufbau 26 des Kraftfahrzeuges abgestützt, an dem auch der Hilfsrahmen 14 über schwingungsisolierende Lager befestigt ist.
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Die Drehstabfeder 22 besteht aus einer radial äußeren Rohrfeder 22a, die ausgehend von einem am Hilfsrahmen 14 befestigten Drehsteller 28 sich nach innen nahezu bis zur eingezeichneten, senkrechten Fahrzeuglängsmittelebene 30 erstreckt und dort zum Beispiel über eine Steckverbindung 32 mit einem Vollstab 22b aus Federstahl trieblich verbunden ist.
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Der Vollstab 22b verläuft radial innen liegend wieder zur Fahrzeugaußenseite, wobei er sich durch den Drehsteller 28 hindurch erstreckt und an einer noch weiter außenliegenden Führungsbuchse 34 über ebenfalls eine Steckverbindung 36 befestigt ist.
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Die Führungsbuchse 34 ist in dem Drehsteller 28 drehbar gelagert und trägt einen radial zum Querlenker 12 in Fahrtrichtung F des Kraftfahrzeuges nach vorne abragenden Abtriebshebel 38, der über Gelenke 42 und eine etwa vertikal ausgerichtete Koppelstange 40 gelenkig mit dem Querlenker 12 verbunden ist.
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Der Drehsteller 28 setzt sich in nur grob mit Bezugsziffer 29 angedeuteter Weise aus einem antreibenden Elektromotor und einem hoch übersetzenden Getriebe (zum Beispiel einem Harmonic-Drive-Getriebe oder einem Zykloidgetriebe) zusammen, wobei das Abtriebselement des Getriebes mit der Rohrfeder 22a trieblich verbunden ist. Die die Federrate mitbestimmende Länge des wirksamen Drehstabes 22 bestimmt sich somit kumulativ aus der Länge der Rohrfeder 22a vom Drehsteller 28 zur Steckverbindung 32 und der Länge des Vollstabes 22b zwischen den Steckverbindungen 32, 36.
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Zusätzlich ist die Koppelstange 40 (vergleiche 3 und 4) als Biegefeder aus Federstahl ausgeführt, deren Federrate in Reihenschaltung der Drehstabfeder 22 überlagert ist.
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Die Koppelstange 40 ist bevorzugt als ein Biegeträger gleicher Biegespannung berechnet und ausgeführt. Hierzu ist die Koppelstange 40 gemäß den 3 und 4 als eine C-förmige Blattfeder realisiert, deren Federfußpunkte 47 über die Gelenke 42 am Abtriebshebel 38 und am Radführungselement 12 angelenkt sind. Die C-förmige Blattfeder weist gemäß der 3 eine in etwa sichelförmige Seitenkontur auf, und zwar mit einem mittleren Bereich 45 hoher Materialstärke s1, der sich zu den gelenkseitigen Federfußpunkten 47 hin verjüngt. Zudem ist die C-förmige Blattfeder gemäß der 4 aus einem materialeinheitlichen sowie einstückigen Flachprofil, insbesondere aus einem Faser-Verbund-Werkstoff, gefertigt. Das Flachprofil weist gemäß der 4 einen rechtwinkligen Querschnitt mit einander gegenüberliegenden Flachseiten 49 sowie gegenüberliegenden Schmalseiten 51 auf. Die C-förmige Blattfeder ist in der Einbaulage so aufrechtstehend eingebaut, dass eine der Flachseiten 49 einen von der Blattfeder C-förmig umgrenzten Bauraum 53 zugewandt ist. Der so bereitgestellte Bauraum 53 kann zur Aufnahme eines Fahrgestellelementes 55 genutzt werden, wie es in der 3 gestrichelt angedeutet ist.
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Der Querschnitt der in den 3 und 4 gezeigten Koppelstange 40 nimmt ausgehend von ihrem mittleren Bereich 45 bis zu den Gelenkstellen 42 kontinuierlich derart ab, dass die Koppelstange 40 im Verlauf ihrer Längserstreckung in etwa gleich großen Biegespannungen unterliegt. Eine derart ausgeführte Koppelstange 40 gleicher Biegespannung stellt damit ein Optimum für den Kraftfluss dar und spart darüber hinaus unnötigen Materialeinsatz. Insgesamt bestimmt sich der Querschnitts-Verlauf der Koppelstange 40 nach den Platzverhältnissen.
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Von besonderer Bedeutung für eine einwandfreie Übertragung der Zug-/Druckkräfte im Lastpfad zwischen dem Drehsteller 28 und dem Fahrzeugrad 16 ist, dass der zwischen die Koppelstange 40 und der Drehstabfeder 22 geschaltete Abtriebshebel 38 als vollkommen starres Bauteil ohne jegliche Federeigenschaften, das heißt ohne Einfluss auf die Gesamtfederkonstante, ausgeführt ist. Der Abtriebshebel 38 dient daher lediglich der Drehmomentübertragung, jedoch nicht der Speicherung/Abgabe von Federarbeit.
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Gemäß der 3 ist der Abtriebshebel 38 als separates Bauteil, etwa durch einen Pressverband oder durch eine nicht dargestellte Steckverzahnung kraft- und/oder formschlüssig mit der Drehstabfeder 22 gekoppelt.
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Die beiden Federfußpunkte 47 der als C-förmig ausgebildeten Koppelstange 40 sind dabei in vertikal fluchtend übereinander angeordnet.
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In der 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, dessen grundsätzlicher Aufbau und Funktionsweise mit dem Ausführungsbeispiel der 3 und 4 identisch ist. Insofern kann auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen werden. Im Unterschied zu den 3 und 4 ist in der 5 die Koppelstange 40 nicht als eine Biegefeder, sondern als eine Teleskopfeder ausgeführt, die zweiteilig aus einem am Querlenker 12 angelenkten Gehäuse 57 und einem in dem Gehäuse 57 linear hubverstellbar geführten Kolben 59 besteht. Der Kolben 59 ist über eine Kolbenstange 61 gelenkig mit dem Abtriebshebel 38 in Verbindung. Damit sowohl eine Übertragung von Zug- als auch Druckkräften ermöglicht ist, sind in dem Gehäuse 57 zwei zueinander entgegen gerichtete Federelemente 63 angeordnet, die jeweils in Gegenrichtungen auf den Kolben 59 wirken.
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Die 1 zeigt die linksseitige Radaufhängung 10 mit dem Achssteller, die rechte Seite ist sich spiegelbildlich gleich vorzustellen.
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Über den Drehsteller 28 kann bei entsprechender Ansteuerung dessen in beide Drehrichtungen betreibbaren Elektromotors zum Beispiel über ein elektronisches Fahrstabilitätsprogramm nach Maßgabe fahrdynamischer Parameter die Vorspannung der Drehstabfeder 22 und der Koppelstange 40 zur parallel angeordneten Tragfeder 20 ausgehend von einer Grundauslegung erhöht oder vermindert werden, um in an sich bekannter Weise das Fahrzeugniveau zu verändern oder einer Wank- und/oder Nickneigung des Fahrzeuges entgegenzuwirken.
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Die 2 zeigt in dem Ersatzschaltbild das Zusammenwirken des Achsstellers einer Radaufhängung 10. Wie ersichtlich ist, sind zwischen dem Aufbau 26 des Kraftfahrzeuges und dem Rad 16 bzw. dem Querlenker 12 die parallel geschalteten Federsysteme c2 (Tragfeder 20) und c1 (Drehstabfeder 22 und in Reihenschaltung Koppelstange 40) wirksam, die die Gesamtfederrate bestimmen (eingezeichnet ist der Vollständigkeit halber auch die Federrate CRei des Rades 16 bzw. dessen Reifens).
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Durch die Reihenschaltung der Drehstabfeder 22 mit der als Biegefeder ausgeführten Koppelstange 40 kann die über den Drehsteller 28 gesteuerte Federrate c1 als Speicherfeder und damit verbunden die Gesamtfederrate c2 + c1 vermindert bzw. vorteilhaft an konstruktive Gegebenheiten angepasst werden.
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Im Einzelnen berechnet sich die Gesamtfederkonstante des in 2 gezeigten Systems nach folgender Formel: 1 / Cges = 1 / CRei + 1 / C12, wobei c12 = c1 + c2 ist, und 1 / C1 = 1 / CRohr + 1 / CStab + 1 / CK, mit
- Cges
- Gesamtfederkonstante des Systems
- CRei
- Federkonstante des Reifens 16
- C1
- Federkonstante des Drehfedersystems mitsamt federnder Koppel 40
- C2
- Federkonstante der Tragfeder 20
- CRohr
- Federkonstante der Rohrfeder 22a
- CStab
- Federkonstante der Vollstabfeder 22b
- CK
- Federkonstante der Koppelstange 40
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Daraus geht hervor, dass die Federsteifigkeiten vom Fahrzeugreifen mit CRei, von der Tragfeder 20 mit c2 und von der Speicherfeder mit c1 in die Berechnung einfließt. Bei der Berechnung der Gesamtfederkonstante c1 der Speicherfeder wird erfindungsgemäß zusätzlich die als Feder ausgestaltete Koppelstange 40 berücksichtigt, wodurch sich eine Reihenschaltung ergibt, bestehend aus der Rohrfeder 22a, der Vollstabfeder 22b und der Koppelstange 40. In der obigen Formel findet daher auch der dritte Bruch 1:cK für die Koppelstange 40 Berücksichtigung, wodurch nach Auflösen der Formel nach c1 sich eine im Vergleich zum Stand der Technik reduzierte Gesamtfederrate für die Speicherfeder ergibt.