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Dokumentenidentifikation DE102005051139A1 03.05.2007
Titel Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs mit einem dynamischen Schwingungstilger
Anmelder GM Global Technology Operations, Inc., Detroit, Mich., US
Erfinder Eichelhard, Oliver, 60318 Frankfurt, DE;
Jennewein, Dietmar, 55294 Bodenheim, DE
Vertreter Strauß, P., Dipl.-Phys.Univ. MA, Pat.-Anw., 65191 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 26.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005051139
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse B62D 37/00(2006.01)A, F, I, 20051026, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16F 7/104(2006.01)A, L, I, 20051026, B, H, DE   B62D 37/04(2006.01)A, L, I, 20051026, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs mit einem an einem Vorderrahmen eines Fahrzeugaufbaus montierten Hilfsrahmen und einem an dem Hilfsrahmen gehalterten Antriebsaggregat, wodurch resonante Schwingungen des Hilfsrahmens durch das Antriebsaggregat angeregt werden können, wobei an dem Hilfsrahmen wenigstens ein weiteres Aggregat des Kraftfahrzeugs ("Dämpfungsaggregat") mittels wenigstens eines elastisch-dämpfenden Elements schwingungsfähig an dem Hilfsrahmen gehaltert ist. Das Dämpfungsaggregat kann durch eine Schwingung des Hilfsrahmens in eine resonante Eigenschwingung versetzt werden, wobei eine Eigenfrequenz der Eigenschwingung des Dämpfungsaggregats auf wenigstens eine Frequenz der durch das Antriebsaggregat angeregten, resonanten Schwingung(en) des Hilfsrahmens abgestimmt ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik und betrifft insbesondere eine Frontstruktur eines Kraftfahrezeugs mit einem dynamischen Schwingungstilger.

Moderne Kraftfahrzeuge mit einer selbsttragenden Karosserie sind oft mit einer Frontstruktur versehen, bei der die Karosserie (Fahrzeugaufbau) mit einem an einer Bodengruppe starr befestigten, nach vorne ragenden Vorderrahmen ausgerüstet ist. Ein herkömmlicher Vorderrahmen ist typischer Weise aus im Seitenbereich des Kraftfahrzeugs, in Längsrichtung sich erstreckenden Längsträgern aufgebaut, die durch im Bereich der Fahrzeugfront und/oder Fahrzeugstirnwand angeordnete Querträger oder dergleichen gegeneinander ausgesteift sind. Solche Längsträger können in der Vertikalen durchaus einen von einer waagerechten Geraden abweichenden Konturverlauf haben, was in der Praxis häufig der Fall ist, wo sich an einen waagerechten Längsträgerabschnitt ein schräg verlaufender Längsträgerabschntt anschließt, an welchen sich wiederum ein waagerecht verlaufender Längsträgerabschnitt anschließt. Die Längsträger dienen im Allgemeinen als Energie absorbierende Verformungsstrukturen eines die passive Sicherheit erhöhenden Crash-Lastpfads (Hauptlastpfad), welche bei einem Frontalcrash durch Verformung kinetische Energie in Verformungsenergie umwandeln können. Zu diesem Zweck sind die Längsträger gewöhnlich mit einem Stoßfänger-Querträger, meist mittels zwischengeschalteter Deformationselemente ("Crash-Boxen"), verbunden.

Weiterhin umfasst eine herkömmliche Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs oft einen an dem Fahrzeugaufbau, insbesondere an den Längsträgern, lösbar befestigten Hilfsrahmen (engl. "subframe"). Bei dem Hilfsrahmen handelt es sich um einen Montagerahmen zur Montage von Anbauteilen, an dem typischer Weise die Radführungsglieder, gegebenenfalls einschließlich Radfederung, angelenkt bzw. abgestützt sind, wobei er aber auch als Träger für die Lenkgetriebe und/oder den Stabilisator dienen kann. Weiterhin dienen solche Hilfsrahmen gegebenenfalls auch als. Träger des Antriebsaggregats, insbesondere des Antriebsmotors. Wenn die Radführungsglieder an dem Hilfsrahmen montiert sind, wird dieser auch als "Fahrschemel" bezeichnet. Ein solcher Hilfsrahmen ist üblicher Weise aus zwei über Querelemente abgestützte Seitenteile aufgebaut, wobei der Hilfsrahmen eine in sich geschlossene Einheit bildet. In der Praxis sind die Seitenteile meist durch zwei vordere und zwei hintere elastische Elemente von unten her an dem Fahrzeugaufbau, insbesondere an den Längsträgern des Vorderrahmens montiert. Der Hilfsrahmen dient zudem oft als Verformungselement eines unteren Crash-Lastpfads zur Energieabsorption bei einem Frontal-Crash.

Wenn der Hilfsrahmen zur Lagerung des den Antriebsmotor umfassenden Antriebsaggregats dient, ist der Antriebsmotor meist über zwei Traglager an den Längsträgern des Vorderrahmens des Fahrzeugaufbaus und über zwei Drehmomentstützen an dem Hilfsrahmen aufgehängt. Die Drehmomentstützen dienen hierbei dazu, die bei einem Drehmomentwechsel des Antriebsmotors auftretenden Kräfte aufzunehmen. Jedoch erzeugt der Antriebsmotor auch Vibrationen, die niederfrequente Schwingungen im Hilfsrahmen in Resonanz anregen. Selbst wenn der Hilfsrahmen über elastisch-dämpfende Elemente an dem Fahrzeugaufbau montiert ist, können derartige niederfrequente Schwingungen bis in die Fahrgastzelle übertragen werden, wodurch der Fahrkomfort merklich beeinträchtigt werden kann.

Um solche niederfrequenten Schwingungen zu dämpfen, sind, neben einer in dieser Hinsicht durchaus vorteilhaften elastisch-dämpfenden Aufhängung des Hilfsrahmens am Fahrzeugaufbau, zusätzlich dynamische Schwingungstilger etwa am Antriebsmotor vorgesehen.

Ein dynamischer Schwingungstilger umfasst grundsätzlich eine Dämpfungsmasse, welche eine im Vergleich zu der zu dämpfenden Hauptmasse geringere Masse hat und über ein elastisch-dämpfendes Element schwingungsfähig mit der Hauptmasse verbunden ist. Dabei ist der dynamische Schwingungstilger, bestehend aus dem System Dämpfungsmasse und elastisch-dämpfendes Element zur Lagerung der Dämpfungsmasse, so ausgelegt, dass eine resonante Eigenfrequenz des Schwingungstilgers, welche zu einer Schwingung mit einer maximalen Amplitude (Elongation) des Schwingungstilgers gehört, auf die Frequenz einer zu dämpfenden Schwingung der Hauptmasse abgestimmt ist. Wird der Schwingungstilger durch diese (zu dämpfende) Schwingung der Hauptmasse resonant angeregt, so schwingt die Dämpfungsmasse (in ihrer Eigenfrequenz) mit einer maximalen Amplitude phasengegengleich zur Schwingung der Hauptmasse und dämpft so die Schwingung der Hauptmasse.

Herkömmlicher Weise werden als dynamische Schwingungstilger zusätzliche Dämpfmassen am Antriebsmotor über elastische Federmittel angebracht, wobei der Antriebsmotor dann als Hauptmasse im oben erläuterten Sinne fungiert. Nachteilig bei der Verwendung zusätzlicher dynamischer Schwingungstilger ist jedoch, dass zusätzliche Bauteile in der Kraftfahrzeugfertigung verbaut werden müssen und dass durch die Dämpfmassen das Gesamtkraftfahrzeuggewicht merklich zunimmt. Ferner erhöhen sich durch die zusätzlichen dynamischen Schwingungstilger die Fertigungskosten.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Frontstruktur für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, durch welche durch ein Antriebsaggregat angeregte Schwingungen des Hilfsrahmens effektiv gedämpft werden können, ohne dabei die oben aufgezeigten Nachteile herkömmlicher zusätzlicher dynamischer Schwingungstilger in Kauf nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung durch eine Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.

Erfindungsgemäß ist eine Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs gezeigt, welche in herkömmlicher Weise mit einem Vorderrahmen als Teil des Fahrzeugaufbaus und einem an dem Vorderrahmen montierten Hilfsrahmen ausgerüstet ist.

Der Vorderrahmen der erfindungsgemäßen Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs umfasst hierbei typischer Weise, jedoch nicht zwingend, im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende, im Seitenbereich des Fahrzeugs angeordnete Längsträger, die beispielsweise mittels geeigneter Querträger, Stirnwände oder dergleichen gegeneinander versteift sein können. Die Längsträger können als Verformungsstrukturen eines Crash-Lastpfads dienen.

Der Hilfsrahmen der erfindungsgemäßen Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs ist typischer Weise, jedoch nicht zwingend, aus zwei über Querelemente abgesteifte Seitenteile aufgebaut, die insgesamt eine geschlossene Einheit bilden. Er ist typischer Weise von unten her an den Längsträgern des Vorderrahmens des Fahrzeugaufbaus beispielsweise mittels wenigstens einen elastisch-dämpfenden Elements montiert, so dass Schwingungen des Hilfsrahmens relativ zum Fahrzeugaufbau, beispielsweise erzeugt durch Fahrbahnunebenheiten, gedämpft werden können. Weiterhin kann er als ein Verformungselement eines unteren Crash-Lastpfads dienen und zu diesem Zweck mit weiteren Längsträgern als Verformungselemente versehen sein. Der Hilfsrahmen kann ferner als Fahrschemel zur Anlenkung bzw. Stützung von Radführungsgliedern dienen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung dient der Hilfsrahmen der erfindungsgemäßen Frontstruktur zur Halterung eines Antriebsaggregats, insbesondere Antriebsmotors, wodurch resonante Schwingungen des Hilfsrahmens durch das Antriebsaggregat angeregt werden können. Zudem dient der Hilfsrahmen der erfindungsgemäßen Frontstruktur zur Aufhängung wenigstens eines weiteren Aggregats des Kraftfahrzeugs, welches im Weiteren zur leichteren Bezugnahme als "Dämpfungsaggregat" bezeichnet wird, das mittels wenigstens eines elastisch-dämpfenden Elements, wie einer Gummilagerung, schwingungfähig an dem Hilfsrahmen gehaltert ist. Bei dem Dämpfungsaggregat kann es sich insbesondere um eine Kühlergruppe, insbesondere um einen Motorkühler handeln.

Die erfindungsgemäße Frontstruktur in einem Kraftfahrzeug zeichnet sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass durch eine Schwingung des Hilfsrahmens eine resonante Schwingung des Dämpfungsaggregats angeregt werden kann (Eigenschwingung), wobei eine Eigenfrequenz der Eigenschwingung des schwingungsfähigen Dämpfungsaggregats (welche zu einer Schwingung des Dämpfungsaggregats mit einer maximalen Amplitude bzw. Elongation gehört) auf wenigstens eine Frequenz der durch das Antriebsaggregat angeregten resonanten Schwingung(en) des Hilfsrahmens abgestimmt ist bzw. dieser entspricht. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass das Dämpfungsaggregat als ein dynamischer Schwingungstilger zur Dämpfung der resonanten Schwingung(en) des Hilfsrahmens wirkt. Das Dämpfungsaggregat hat somit, neben seiner (nicht-schwingungsdämpfenden) Funktion als Aggregat im Kraftfahrzeug, eine schwingungsdämpfende Wirkung auf den Hilfsrahmen. Durch diese "Doppelfunktion" des Dämpfungsaggregats kann auf vorteilhafte Weise auf herkömmliche zusätzliche dynamische Schwingungstilger verzichtet werden, wodurch Bauteile, Fahrzeuggewicht und Fertigungskosten eingespart werden können.

Durch das Dämpfungsaggregat können durch das Antriebsaggregat, insbesondere den Antriebsmotor, angeregte, resonante Schwingungen des Hilfsrahmens gedämpft werden. Vorteilhaft ist die Eigenfrequenz der Eigenschwingung des Dämpfungsaggregats (bzw. des Systems Dämpfungsaggregat/elastische-dämpfende Lagerung des Dämpfungsaggregats am Hilfsrahmen) hierbei so eingestellt, dass eine resonante Eigenfrequenz des Hilfsrahmens durch das Dämpfungsaggregat gedämpft werden kann. Eine Änderung der Eigenfrequenz der resonanten Schwingung des Dämpfungsaggregats kann beispielsweise über eine Änderung der Masse des Dämpfungsaggregats und/oder über eine Änderung der Steifigkeit des wenigstens einen elastisch-dämpfenden Elements, durch welches das Dämpfungsaggregat an dem Hilfsrahmen gehaltert ist, erreicht werden.

Der Frequenzbereich der durch das Antriebsaggregat angeregten resonanten Schwingungen des Hilfsrahmens hängt, wie dem Fachmann bekannt ist, von der Bauart des Kraftfahrzeugs und den Betriebszuständen des Antriebsmotors ab. Im Allgemeinen werden jedoch niederfrequente Schwingungen des Hilfsrahmens durch den Antriebsmotor dominant angeregt, so dass es erfindungsgemäß bevorzugt ist, eine Eigenfrequenz einer resonanten Eigenschwingung des Dämpfungsaggregats auf einen Wert im Frequenzbereich von 25 bis 35 Hz, insbesondere vorteilhaft ca. 29–30 Hz, festzulegen bzw. einzustellen.

Durch das Dämpfungsaggregat kann das Schwingverhalten des Hilfsrahmens relativ zum Fahrzeugaufbau vorteilhaft beeinflusst werden kann, indem durch das Antriebsaggregat, insbesondere den Antriebsmotor, angeregte, resonante Schwingungen des Hilfsrahmens gedämpft werden. Ein Einleiten von niederfrequenten Schwingungen in die Fahrgastzelle kann gedämpft vermieden, wodurch der Fahrkomfort merklich erhöht ist.

In der erfindungsgemäßen Frontstruktur kann als Dämpfungsaggregat grundsätzlich jedes Bauteil des Kraftfahrzeugs gewählt sein, das eine über eine Dämpfwirkung auf resonante Schwingungen des Hilfsrahmens hinaus gehende Funktion hat (also in seiner Funktion zunächst kein Schwingungstilger ist) und am Hilfsrahmen angebracht ist. Vorteilhaft handelt es sich hierbei um einen Motorkühler.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Kraftfahrzeug, das mit einer wie oben beschriebenen Frontstruktur ausgestattet ist.

Die Erfindung wird nun anhand einer Ausführungsform näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen wird. Es zeigt:

1 eine schematisch Darstellung des Aufbaus einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Frontstruktur.

Demnach ist in einer Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs ein Fahrschemel 2 über elastisch-dämpfende Elemente 5, wie Gummilager, an einer Fahrzeugkarosserie 1 (insbesondere an den Längsträgern des Vorderrahmens) auf deren Unterseite aufgehängt. Durch die elastisch-dämpfende Lagerung des Fahrschemels 2 können Schwingungen des Fahrschemels 2 relativ zur Fahrzeugkarosserie 1, etwa durch Fahrbahnunebenheiten verursacht, gedämpft werden. Ein Antriebsmotor 3 eines Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs ist an dem Fahrschemel 2 mittels elastisch-dämpfender Federmittel 6 in Form von Drehmomentstützen, welche die bei einem Drehmomentwechsel auftretenden Kräfte aufnehmen können, gehaltert. Der Antriebsmotor 3 erzeugt im Betrieb insbesondere eine Schwingung um den Motorschwerpunkt, welche durch den Pfeil in 1 angedeutet ist. Über die Drehmomentstützen 6 wird eine solche Schwingung des Antriebsmotors 3 auf den Fahrschemel 2 übertragen, welcher hierdurch zu niederfrequenten Kippschwingungen, welche beispielsweise eine Frequenz von 29 Hz haben können, resonant angeregt wird. Diese niederfrequenten Schwingungen können über die Lagerung des Fahrschemels 2 auf die Fahrzeugkarosserie 1 übertragen werden, wo sie in der Fahrgastzelle als störend empfunden werden können.

Weiterhin ist ein Motorkühler 4 mittels elastisch-dämpfender Elemente 7 sowohl am Fahrschemel 2 als auch an der Fahrzeugkarosserie 1, insbesondere an den Längsträgern des Vorderrahmens, gehaltert. Das elastisch-dämpfende Element 7 zur Lagerung des Motorkühlers 4 am Fahrschemel 2 ist so ausgebildet, dass der Motorkühler 4 eine durch eine resonante Schwingung des Hilfsrahmens 2 angeregte, resonante Eigenschwingung mit einer wählbaren Eigenfrequenz ausführen kann. Das elastisch-dämpfende Element 7 zur Aufhängung des Motorkühlers 4 am Fahrschemel 2 ist hierbei in seiner Steifigkeit so eingestellt, dass bei einer gegebenen (wählbaren) Masse des Motorkühlers 4 die Eigenfrequenz der resonanten Eigenschwingung des Motorkühlers 4 einer Frequenz, insbesondere Eigenfrequenz, einer zu dämpfenden Schwingung des Fahrschemels 2 entspricht. Die Lagersteifigkeit bestimmt so die Frequenzlage der Resonanz des Systems elastisch-dämpfendes Element/Motorkühler. Andererseits kann bei einer gegebenen (wählbaren) Steifigkeit des elastisch-dämpfenden Elements 7 zur Lagerung des Motorkühlers 4 am Fahrschemel 2 die Masse des Motorkühlers 4 so gewählt werden, dass die Eigenfrequenz der resonanten Eigenschwingung des Motorkühlers 4 einer Frequenz, insbesondere Eigenfrequenz, einer zu dämpfenden resonanten Schwingung des Fahrschemels 2 entspricht. Die Aufhängung des Motorkühlers 4 an der Fahrzeugkarosserie 1 ist im Vergleich zur Lagerung des Motorkühlers 4 am Fahrschemel 2 in ihrer Steifigkeit sehr weich, so dass der Motorkühler 4 als dynamischer Schwingungstilger für die resonanten Schwingungen des Hilfsrahmens 2 wirken kann.

Bei einer Masse von beispielsweise 5,8 kg des Motorkühlers 4 hat eine Steifigkeit des elastisch-dämpfenden Elements 7 von 100 N/mm einen vergleichsweise geringen Einfluss auf eine Hauptresonanzschwingung von 29 Hz des Fahrschemels. Jedoch ist der Motorkühler 4 in der Lage bei einer Steifigkeit des elastisch-dämpfenden Elements 7 von 50 N/mm eine Reduktion der resonanten Schwingung des Fahrschemels 2 bei 29 Hz durch dynamische Schwingungstilgung zu erzielen.

1
Fahrzeugkarosserie
2
Fahrschemel
3
Antriebsmotor
4
Motorkühler
5
elastisch-dämpfendes Element
6
elastisch-dämpfendes Element
7
elastisch-dämpfendes Element


Anspruch[de]
Frontstruktur eines Kraftfahrzeugs mit einem an einem Vorderrahmen eines Fahrzeugaufbaus montierten Hilfsrahmen und einem an dem Hilfsrahmen gehalterten Antriebsaggregat, wodurch resonante Schwingungen des Hilfsrahmens durch das Antriebsaggregat angeregt werden können, wobei an dem Hilfsrahmen wenigstens ein weiteres Aggregat des Kraftfahrzeugs ("Dämpfungsaggregat") mittels wenigstens eines elastisch-dämpfenden Elements schwingungfähig an dem Hilfsrahmen gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eigenfrequenz einer resonanten Eigenschwingung des Dämpfungsaggregats auf wenigstens eine Frequenz der durch das Antriebsaggregat angeregten Schwingung(en) des Hilfsrahmens abgestimmt ist. Frontstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der resonanten Eigenschwingung des Dämpfungsaggregats auf eine resonante Eigenfrequenz der durch das Antriebsaggregat angeregten Schwingung(en) des Hilfsrahmens abgestimmt ist. Frontstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Antriebsaggregat angeregte(n) Schwingung(en) des Hilfsrahmens im Frequenzbereich von 25 bis 35 Hz liegt. Frontstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Antriebsaggregat angeregte(n) Schwingung(en) des Hilfsrahmens ca. 29–30 Hz beträgt. Frontstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsaggregat ein Motorkühler ist. Kraftfahrzeug mit einer Frontstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5.






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